一种用于CZTS薄膜的旋涂装置及制备CZTS电池的方法

摘要

本发明公开了一种用于CZTS薄膜的旋涂装置，其可以减少CZTS薄膜上微裂纹的形成；本发明还公开了一种基于该旋涂装置制备CZTS电池的方法，制得的CZTS电池的CZTS薄膜微裂纹较少，改善电池性能。用于CZTS薄膜的旋涂装置，包括中空的外壳、可转动地设置在所述外壳内的用于吸合衬底的托盘，其特征在于：所述托盘内嵌设有电阻丝，所述电阻丝的两端分别固定连接有金属接触电极，所述旋涂装置还包括用于供电的主机、两个分别与所述主机的正负极固定相接的金属摩擦片，两个所述金属摩擦片固定设置在所述外壳内，其中一个所述金属摩擦片和其中一个所述金属接触电极保持接触且另一个所述金属摩擦片和另一个所述金属接触电极保持接触以在托盘转动时为所述电阻丝连续供电。

说明书

技术领域

本发明属于光伏领域，特别涉及一种制备CZTS薄膜的旋涂装置及基于该旋涂装置制备CZTS电池的方法。

背景技术

进入二十一世纪，随着社会现代化进程的加快，对能源的需要也随之增加，能源危机日趋凸显。作为缓解能源问题的重要手段之一，光伏发电技术近年得到了快速发展。其中传统晶硅太阳电池发展尤为迅速，但其发电成本仍然比较高，严重的限制了它的进一步发展。而薄膜太阳电池凭借低成本和重量轻等优势，越来越受到人们关注。目前技术比较成熟且已实现量产的是铜铟镓硒薄膜太阳能电池（CIGS），其量产效率高达21.7%，但是其中的铟、镓元素价格都过高，并没有体现薄膜电池的成本优势，同时硒元素有毒，因此研究人员多转向对铜锌锡硫薄膜太阳能电池（CZTS）的研究，该电池在兼具CIGS电池优势的同时，所用的四种元素，地壳储量高价格低廉且无毒，禁带宽度为1.48eV非常接近太阳电池吸收层的理想带隙1.5eV，其理论转换效率为32.4%，是很好的CIGS替代材料。

CZTS薄膜的制备方法有：磁控溅射法、热分解法、电子束蒸发法、旋涂法、刮涂法、喷雾热解法等。其中，磁控溅射法、热分解法、电子束蒸法制备铜锌锡硫吸收层薄膜具有如下缺点： CZTS中铜、锌、锡、硫四种元素的比例为2：1：1：4时，能够得到完美的锌黄锡矿结构，其光电响应效果最佳，然而这个比例在实际生产时不好控制；沉积过程需在高真空下进行，制备成本较高；速率较慢；CZTS结晶性较差。喷雾热解法、旋涂法等化学方法，制备工艺简单，成本低、元素比例相对好控制，是制备CZTS的首选方法。但也存在如下缺点：CZTS结晶性较差，很难制备出晶粒尺寸大且连续的铜锌锡硫吸收层薄膜；铜锌锡硫CZTS薄膜太阳能电池存在的主要问题是CZTS吸收层的结晶性一般较差，难以制备晶粒较大的薄膜，为了得到结晶性很好的薄膜，普遍采用高温热处理的方法，温度在400℃至600℃之间。但是，锡沸点较低高温容易流失，同时铜锌锡硫化合物在高温下会分解形成二元或三元杂相，影响电池效率。

一般旋涂法制备CZTS薄膜时，是将CZTS墨水旋涂到沉积有MO薄膜的玻璃衬底上，然后放在热盘上于空气中加热，重复此步骤多次，以获得铜锌锡硫吸收层薄膜。存在以下缺点：CZTS墨水在加热过程中由于有机溶剂的挥发以及薄膜中晶粒长大导致薄膜应力较大，会产生薄膜的收缩形成大量的微裂纹，严重影响CZTS电池性能。

发明内容

本发明的目的是解决上述现有技术中存在的不足和问题，提出了一种用于CZTS薄膜的旋涂装置，其可以减少CZTS薄膜上微裂纹的形成；本发明还提供一种基于该旋涂装置制备CZTS电池的方法，制得的CZTS电池的CZTS薄膜微裂纹较少，改善电池性能。

本发明采用的技术方案如下：

一种用于CZTS薄膜的旋涂装置，包括中空的外壳、可转动地设置在所述外壳内的用于吸合衬底的托盘，其特征在于：所述托盘内嵌设有电阻丝，所述电阻丝的两端分别固定连接有金属接触电极，所述旋涂装置还包括用于供电的主机、两个分别与所述主机的正负极固定相接的金属摩擦片，两个所述金属摩擦片固定设置在所述外壳内，其中一个所述金属摩擦片和其中一个所述金属接触电极保持接触且另一个所述金属摩擦片和另一个所述金属接触电极保持接触以在托盘转动时为所述电阻丝连续供电。

优选地，所述托盘由聚四氟乙烯或陶瓷制成。

优选地，所述托盘的加热温度为20-400℃。

优选地，两个所述金属接触电极之间设有用于将二者隔开的绝缘介质。

优选地，所述主机还包括温控器，所述温控器的温控精度为1℃。

本发明采用的又一技术方案如下：

一种制备CZTS电池的方法，包括如下步骤：

S1、对衬底进行清洗并吹干；

S2、在步骤S1处理后的衬底表面沉积背电极；

S3、配置铜锌锡硫墨水；

S4、将墨水滴于背电极的表面，采用所述的用于CZTS薄膜的旋涂装置将墨水旋涂成膜，烘干；重复多次，沉积得到CZTS薄膜层；

S5、进行硫化处理以改善所述CZTS薄膜层的结晶性；

S6、沉积正面电极。

优选地，步骤S3中，将0.5-3mmol的Cu(NO₃)₂·3H₂O，1-3>3COO)₂·2H₂O，1.0-3.0>2·2H₂O，5-10>2)₂>

优选地，步骤S4中，所述旋涂装置的转盘温度设置为25-50℃，在转速500-3000 r/min下旋涂5-50s，然后将转盘温度设置为200-400℃进行烘干，所述烘干时间为1-5min；重复10-30次。

优选地，步骤S6进一步包括：

S61、在所述CZTS薄膜层的表面上沉积CdS薄膜层；

S62、在所述CdS薄膜层的表面上沉积缓冲层；

S63、在所述缓冲层的表面上沉积正面电极。

更优选地，

步骤S61中，取150mL去离子水、10-50mLCS(NH₂)₂溶液、10-50mL>4溶液以及20mL氨水溶液制成混合液，将步骤S5处理后的衬底置于混合液中，并在60-100℃下水浴，搅拌速度为10-30r/min，然后冲洗烘干；

和/或；

步骤S62中，采用磁控溅射法沉积i-ZnO薄膜层作为所述的缓冲层；

和/或；

步骤S63中，采用磁控溅射法沉积AZO 薄膜层作为所述的正面电极。

本发明采用以上方案，相比现有技术具有如下优点：

通过对托盘的加热，在旋涂的同时进行加热，使得铜锌锡硫墨水在旋涂过程中及时释放内应力，减少微裂纹的形成，形成的CZTS薄膜中微裂纹较少，从而改善CZTS电池的性能。

附图说明

附图1为本发明的一种旋涂装置的结构示意图；

附图2为本发明的一种制备CZTS电池的方法的流程示意图；

附图3为采用本发明的方法制得的CZTS电池的结构示意图。

上述附图中，

1、旋涂装置；

10、外壳；11、托盘；12、电阻丝；13、金属接触电极；14、金属摩擦片；15、绝缘介质；16、主机；

2、CZTS电池；

21、玻璃衬底；22、Mo薄膜层；23、CZTS薄膜层；24、CdS薄膜层；25、i-ZnO薄膜层；26、AZO 薄膜层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域的技术人员理解。本发明对方位的定义是根据本领域人员的惯常观察视角和为了叙述方便而定义的，不限定具体的方向，如，上对应于附图1中纸面的上侧，下对应于附图1中纸面的下侧。

参照附图1所示，本发明的一种用于CZTS薄膜的旋涂装置1，包括中空的外壳10、可转动地设置在所述外壳10内的用于吸合衬底的托盘11，所述托盘11内嵌设有电阻丝12，所述电阻丝12的两端分别固定连接有金属接触电极13，所述旋涂装置1还包括用于供电的主机16、两个分别与所述主机16的正负极固定相接的金属摩擦片14，两个所述金属摩擦片14固定设置在所述外壳10内，其中一个所述金属摩擦片14和其中一个所述金属接触电极13保持接触且另一个所述金属摩擦片14和另一个所述金属接触电极13保持接触以在托盘11转动时为所述电阻丝12连续供电，两个所述金属接触电极13之间设有用于将二者隔开的绝缘介质14。

托盘11由聚四氟乙烯或陶瓷等绝缘耐高温材料制成，并与真空装置相连通，通过真空装置向托盘11提供真空吸力从而可将衬底吸合在托盘的表面上。

所述主机16还包括温控器，用于对托盘的温度进行控制以根据需要调节托盘温度的大小，所述温控器的温控精度为1℃。主机16接220V市电或由电源供电，托盘的加热温度为20-400℃。

在制备CZTS薄膜时，通过真空吸力将衬底吸合在托盘表面上，托盘旋转带动衬底旋转，从而可将衬底表面的墨水滴旋涂成膜，在旋涂的过程中或之后，设置托盘的温度使其具有加热功能，对所成的膜进行烘干处理。

参照附图2所示，一种基于上述的旋涂装置制备CZTS电池的方法，包括如下步骤：

S1、对衬底进行清洗并吹干；具体到本实施例中，用丙酮和乙醇对玻璃衬底进行清洗，采用干燥的氮气吹干玻璃衬底；

S2、采用磁控溅射法在在步骤S1处理后的玻璃衬底上沉积一层Mo薄膜层作为背电极，所述Mo薄膜层的厚度为0.5-5um

S3、配置铜锌锡硫墨水；将0.5-3mmol的Cu(NO₃)₂·3H₂O，1-3>3COO)₂·2H₂O，1.0-3.0>2·2H₂O，5-10>2)₂>

S4、将墨水滴于背电极的表面，采用所述的用于CZTS薄膜的旋涂装置将墨水旋涂成膜，烘干；具体为，所述旋涂装置的转盘温度设置为25-50℃，在转速500-3000 r/min下旋涂5-50s，然后将转盘温度设置为200-400℃进行烘干，所述烘干时间为1-5min；重复10-30次，沉积得到CZTS薄膜层；

S5、将步骤S4处理后的样品翻入双温区硫化炉中进行硫化处理以改善所述CZTS薄膜层的结晶性，消除薄膜中的氧；

S6、沉积正面电极；

述各步骤按顺序进行。

步骤S6进一步包括：

S61、在所述CZTS薄膜层的表面上沉积CdS薄膜层；

S62、在所述CdS薄膜层的表面上沉积缓冲层；

S63、在所述缓冲层的表面上沉积正面电极。

步骤S61中，采用化学浴法在CZTS薄膜层上沉积CdS薄膜层。分别取150mL去离子水、10-50mL CS(NH₂)₂溶液、10-50mL>4溶液以及20mL氨水溶液依次加入到方口杯中。将方口杯放入到水浴锅中，其中水浴锅温度为60-100℃。调节磁力搅拌器的转速10-30r/min。在水浴锅中加热8>

步骤S62中，采用磁控溅射法沉积i-ZnO薄膜层作为所述的缓冲层；所制备的i-ZnO 薄膜层的厚度为30-60nm。

步骤S63中，采用磁控溅射法沉积AZO 薄膜层作为所述的正面电极，AZO 薄膜的厚度为400-600nm。

参照附图3所示，一种基于上述旋涂装置和制备方法制备的CZTS电池2，包括自下至上依次层叠的玻璃衬底21、Mo薄膜层22、CZTS薄膜层23、CdS薄膜层24、i-ZnO薄膜层25、AZO 薄膜层26.

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，是一种优选的实施例，其目的在于熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限定本发明的保护范围。凡根据本发明的精神实质所作的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。