取向诱导生长的硒化锑薄膜及其制备方法与薄膜太阳电池

摘要

本发明公开了一种取向诱导生长的硒化锑薄膜及其制备方法与薄膜太阳电池，包括：将硒化锑和衬底放置于空间升华炉内，通过近空间升华法在所述衬底上沉积硒化锑，得到硒化锑前驱膜；将硒源和所述硒化锑前驱膜放置于双温区管式炉中，通过硒源对所述硒化锑前驱膜进行硒化退火，得到沉积于所述衬底上的硒化锑薄膜。本发明通过具有择优取向的硒化锑前驱膜取向诱导生长制备硒化锑薄膜，制备出的硒化锑薄膜为具有择优取向大晶粒生长的薄膜，将该硒化锑薄膜应用于硒化锑薄膜太阳电池，可以克服现有强各异性硒化锑薄膜导致的载流子产生及传输受限问题，减少硒化锑薄膜太阳电池开路电压亏损，提高硒化锑薄膜太阳电池效率。

说明书

技术领域

本发明涉及能源材料技术领域，具体涉及取向诱导生长的硒化锑薄膜及其制备方法与薄膜太阳电池。

背景技术

薄膜太阳电池如碲化镉(CdTe)、铜铟镓硒(CIGS)、有机太阳电池和钙钛矿太阳电池等，由于原材料含有稀有昂贵元素(如铟、镓和碲等)、有毒元素(如镉和铅等)以及器件性能的不稳定性，直接制约其大面积使用和长期发展。而作为第三代薄膜太阳电池候补技术之一的铜锌锡硫(CZTS)薄膜太阳电池，容易出现多元晶格、多维缺陷以及杂质相等，制约着薄膜太阳电池性能进一步提高。

近年来，新型硒化锑薄膜太阳电池因其原料来源广泛、价格低廉且绿色无毒而受到人们广泛关注。硒化锑薄膜作为薄膜太阳电池的吸收层，对薄膜太阳电池的性能起着至关重要的作用，但现有薄膜太阳电池制备出的硒化锑薄膜通常具有强各向异性，强各向异性的硒化锑薄膜不仅会影响载流子产生，而且会使载流子的传输受限，从而造成薄膜太阳电池的开路电压亏损偏高，进而影响薄膜太阳电池的效率。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种取向诱导生长的硒化锑薄膜及其制备方法与薄膜太阳电池，旨在解决强各向异性的硒化锑薄膜会造成薄膜太阳电池的开路电压亏损偏高的问题。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：一种取向诱导生长的硒化锑薄膜的制备方法，其中，包括：

将硒化锑和衬底放置于空间升华炉内，通过近空间升华法在所述衬底上沉积硒化锑，得到硒化锑前驱膜；

将硒源和所述硒化锑前驱膜放置于双温区管式炉中，通过硒源对所述硒化锑前驱膜进行硒化退火，得到沉积于所述衬底上的硒化锑薄膜。

所述的取向诱导生长的硒化锑薄膜的制备方法，其中，所述近空间升华法的条件为：所述硒化锑的温度为500～520℃，所述衬底的温度为250～300℃，升华时间为8～12min。

所述的取向诱导生长的硒化锑薄膜的制备方法，其中，所述硒化锑和所述衬底的距离为5～10mm，所述空间升华炉内的气压为0.4Pa～0.6Pa。

所述的取向诱导生长的硒化锑薄膜的制备方法，其中，硒化退火时所述硒源的温度为390～410℃，所述硒化锑前驱膜的温度为410～430℃。

一种取向诱导生长的硒化锑薄膜，其中，采用所述的取向诱导生长的硒化锑薄膜的制备方法制备而成。

一种薄膜太阳电池，其中，包括所述的取向诱导生长的硒化锑薄膜，其中，所述衬底包括玻璃和沉积于所述玻璃上的钼薄膜层，所述硒化锑薄膜沉积于所述钼薄膜层上。

所述的薄膜太阳电池，其中，还包括：沉积于所述硒化锑薄膜上的硫化镉薄膜层，沉积于所述硫化镉薄膜层上的透明导电层，沉积于所述透明导电层和所述钼薄膜层上的背电极。

所述的薄膜太阳电池，其中，所述硫化镉薄膜层的制备方法包括：

将所述硒化锑薄膜放置于装有硫酸镉、氨水和去离子水的混合溶液的烧杯中，并将所述烧杯放置于60℃～80℃的水浴中；

向所述烧杯中加入硫脲，搅拌条件下，得到沉积于所述硒化锑薄膜上的硫化镉薄膜层。

所述的硒化锑薄膜太阳电池，其中，所述硫化镉薄膜层的制备方法还包括：

对所述硫化镉薄膜层进行热处理；其中，所述热处理条件为：在惰性气氛中350℃～450℃热处理10～20min。

所述的薄膜太阳电池，其中，所述透明导电层为透明导电氧化物层，所述透明导电层的厚度为100～500nm；所述背电极为金和镍中的至少一种，所述背电极厚度为100～500nm。

有益效果：本发明通过具有择优取向的硒化锑前驱膜取向诱导生长制备硒化锑薄膜，制备出的硒化锑薄膜为具有择优取向大晶粒生长的薄膜，将该硒化锑薄膜应用于硒化锑薄膜太阳电池，可以克服现有强各异性硒化锑薄膜导致的载流子产生及传输受限问题，减少硒化锑薄膜太阳电池开路电压亏损，提高硒化锑薄膜太阳电池效率。

附图说明

图1是本发明实施例提供的薄膜太阳电池的结构示意图；

图2中(a)是本发明实施例1制备的硒化锑前驱膜的扫描电镜图，(b)是本发明实施例2制备的硒化锑前驱膜的扫描电镜图，(c)是本发明实施例1制备的硒化锑薄膜的扫描电镜图，(d)是本发明实施例2制备的硒化锑薄膜的扫描电镜图；

图3是本发明实施例1和实施例2制备的硒化锑前驱膜和硒化锑薄膜的X射线衍射图。

具体实施方式

本发明提供一种取向诱导生长的硒化锑薄膜及其制备方法与薄膜太阳电池，为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

薄膜太阳电池如碲化镉(CdTe)、铜铟镓硒(CIGS)、有机太阳电池和钙钛矿太阳电池等，由于原材料含有稀有昂贵元素(如铟、镓和碲等)、有毒元素(如镉和铅等)以及器件性能的不稳定性直接制约其大面积使用和长期发展。而作为第三代薄膜太阳电池候补技术之一的铜锌锡硫(CZTS)薄膜太阳电池，采用四元或五元薄膜材料作为光吸收层，不仅单相区域很小，且组分中的Zn、Sn、S和Se饱和蒸汽压都比较高，容易出现多元晶格、多维缺陷以及杂质相等，制约着薄膜太阳电池性能进一步提高。因此，寻找来源广泛、价格低廉且绿色无毒的环境友好型半导体材料是高效率薄膜太阳电池的研究目标。

近年来，新型硒化锑薄膜太阳电池因其原料来源广泛、价格低廉且绿色无毒而受到人们广泛关注。硒化锑薄膜作为薄膜太阳电池的吸收层，对薄膜太阳电池的性能起着至关重要的作用，但现有薄膜太阳电池制备出的硒化锑薄膜通常具有强各向异性，强各向异性的硒化锑薄膜不仅会影响载流子产生，而且会使载流子的传输受限，从而造成薄膜太阳电池的开路电压亏损偏高，进而影响薄膜太阳电池的效率。

为了解决上述问题，本发明实施例提供了一种取向诱导生长的硒化锑薄膜的制备方法，所述方法包括：

S1、将硒化锑和衬底放置于空间升华炉内，通过近空间升华法在所述衬底上沉积硒化锑，得到硒化锑前驱膜。

硒化锑(Sb

所述空间升华法的具体过程为：将高纯固态硒化锑颗粒研磨成粉末制备成升华源，并将升华源和衬底分别固定于空间升华炉的样品台上，先将空间升华炉抽真空到0.4Pa～0.6Pa，然后通过调节升华源和衬底温度、升华源和衬底距离以及升华时间，得到具有择优取向的硒化锑前驱膜。在一具体实施例中，空间升华过程中，升华源硒化锑的温度为500～520℃，衬底的温度为250～300℃，升华时间为8～12min，升华源硒化锑和衬底的距离为5～10mm。

S2、将硒源和所述硒化锑前驱膜放置于双温区管式炉中，通过硒源对所述硒化锑前驱膜进行硒化退火，得到沉积于所述衬底上的硒化锑薄膜。

考虑到制备出的硒化锑前驱膜虽然具有择优取向，但其结晶质量较差，容易失去饱和蒸气压较高的硒，使得化学配比失衡，容易出现贫硒薄膜，缺陷明显增加。本实施例中得到硒化锑前驱膜后，进一步对硒化锑前驱膜进行硒化退火处理，硒化锑前驱膜的硒化退火处理在双温区管式炉中进行，将硒源和所述硒化锑前驱膜放置于双温区管式炉中后，对双温区管式炉抽真空并冲入纯度为5N的高纯氩气，使得双温区管式炉的石英管密闭，然后进行硒化退火，通过有效的硒化退火处理，补偿了硒元素在蒸发过程中的损失，减少了界面硒空位缺陷，同时通过硒化退火处理，可以诱导晶体生长，以形成均匀致密大晶粒硒化锑薄膜，退火完毕后自然冷却至室温，即得到沉积于所述衬底上具有择优取向大晶粒生长的硒化锑薄膜。在一具体实施例中，退火处理过程中，所述硒源的温度为390～410℃，所述硒化锑前驱膜的温度为410～430℃。

本发明还提供一种采用上述取向诱导生长的硒化锑薄膜的制备方法制备而成的取向诱导生长的硒化锑薄膜，本实施例中的硒化锑薄膜是基于具有择优取向的硒化锑前驱膜取向诱导生长而成，硒化锑薄膜为具有择优取向大晶粒生长的薄膜，将所述硒化锑薄膜应用于薄膜太阳电池，可以克服现有强各异性硒化锑薄膜导致的载流子产生及传输受限问题，减少硒化锑薄膜太阳电池开路电压亏损，提高硒化锑薄膜太阳电池效率。

本发明还提供一种薄膜太阳电池，如图1所示，所述薄膜太阳电池包括上述所述的取向诱导生长的硒化锑薄膜3，其中，所述衬底包括玻璃1和沉积于所述玻璃1上的钼薄膜层2，所述硒化锑薄膜3沉积于所述钼薄膜层2上。将所述硒化锑薄膜3应用于薄膜太阳电池，可以克服现有强各异性硒化锑薄膜导致的载流子产生及传输受限问题，减少薄膜太阳电池开路电压亏损，提高薄膜太阳电池效率。

在一具体实施方式中，所述衬底的制备方法为：以氩气和钼金属分别作为溅射气体和溅射靶材，采用磁控溅射在玻璃上沉积一层800～1000nm厚度的钼薄膜层。为了获得高附着能力和高性能的钼薄膜层，溅射时首先在预设第一压力下溅射预设时间，然后以预设第二压力继续溅射，直至钼薄膜层达到预设厚度。其中，所述第一压力大于所述第二压力，在第一压力下形成的钼薄膜层与玻璃附着力较强，获得的钼薄膜层在后续的高温退火过程中不会脱落，但是在第一压力下形成的钼薄膜层电阻率较大，不利于薄膜太阳电池背电极电子传输，因此在预设时间后采用较低的第二压力进行溅射，可以获得低电阻率的钼薄膜层。在一具体实施例中，所述第一压力为1Pa，所述预设时间为5min，所述第二压力为0.25Pa。

为了提高玻璃1上沉积的钼薄膜层2的均匀性，在玻璃1上沉积钼薄膜层2之前，本实施例对所述玻璃1依次使用泡沫水、丙酮、乙醇和去离子水进行超声清洗，并放置于真空干燥箱中干燥，以去除玻璃1上的杂质，避免杂质对钼薄膜层2的影响。

继续参照图1所示，所述硒化锑薄膜太阳电池还包括：沉积于所述硒化锑薄膜3上的硫化镉薄膜层4，沉积于所述硫化镉薄膜层4上的透明导电层5，沉积于所述透明导电层5和所述钼薄膜层2上的背电极6，从而形成了底衬结构的薄膜太阳电池。在一具体实施例中，所述透明导电层5为透明导电氧化物层，所述透明导电层5的厚度为100～500nm；所述背电极6为金和镍中的至少一种，所述背电极6厚度为100～500nm。

在一具体实施方式中，所述薄膜太阳电池中硫化镉薄膜层4的制备方法为：将硒化锑薄膜3放置于装有硫酸镉、氨水和去离子水的混合溶液的烧杯中，并将所述烧杯放置于60℃～80℃的水浴中，然后向烧杯中加入硫脲，搅拌条件下硫酸镉、氨水和硫脲会发生反应，其反应式为：Cd(NH

考虑到硒化锑自身有效掺杂浓度(载流子浓度)较低，本实施例中得到沉积于所述硒化锑薄膜3上的硫化镉薄膜层4后，对硫化镉薄膜层4进行热处理，在热处理过程中，硫化镉中的Cd

下面通过具体实施例对本发明进行进一步的解释说明。

实施例1

(1)对玻璃依次用泡沫水、丙酮、乙醇和去离子水进行超声清洗，并放置于真空干燥箱中干燥；

(2)以氩气和钼金属分别作为溅射气体和溅射靶材，在干燥的玻璃上溅射钼金属，得到沉积于玻璃的钼薄膜层；其中，钼金属的溅射条件为：在压力为1Pa下溅射5min，然后在压力为0.25Pa下继续溅射，直至钼薄膜层厚度达到800nm；

(3)将硒化锑和沉积于玻璃的钼薄膜层放置于空间升华炉内，将硒化锑和钼薄膜层的距离调节为9mm，然后将空间升华炉抽真空到0.5Pa，接着在硒化锑的温度为510℃，钼薄膜层的温度为290℃的条件下升华10min，得到硒化锑前驱膜，记为S1；

(4)将硒源和硒化锑前驱膜放置于双温区管式炉中，对双温区管式炉抽真空并冲入纯度为5N的高纯氩气，使得双温区管式炉的石英管密闭，然后以400℃和420℃的温度分别对硒源和金属前驱膜进行加热15min，通过硒源对硒化锑前驱膜进行硒化退火，退火完毕后自然冷却至室温，得到沉积于所述衬底上的硒化锑薄膜，记为SS1；

(5)将硒化锑薄膜放置于装有硫酸镉、氨水和去离子水的混合溶液的烧杯中，并将烧杯放置于70℃的水浴中，然后向烧杯中加入硫脲，搅拌条件下，沉积于硒化锑薄膜上的硫化镉薄膜层；

(6)在氩气气氛和400℃下对硫化镉薄膜层热处理15min后，在硫化镉薄膜层上沉积ITO层以及在ITO层和钼薄膜层上沉积金，得到硒化锑薄膜太阳电池。

实施例2

(1)对玻璃依次用泡沫水、丙酮、乙醇和去离子水进行超声清洗，并放置于真空干燥箱中干燥；

(2)以氩气和钼金属分别作为溅射气体和溅射靶材，在干燥的玻璃上溅射钼金属，得到沉积于玻璃的钼薄膜层；其中，钼金属的溅射条件为：在压力为1Pa下溅射5min，然后在压力为0.25Pa下继续溅射，直至钼薄膜层厚度达到800nm；

(3)将硒化锑和沉积于玻璃的钼薄膜层放置于空间升华炉内，将硒化锑和钼薄膜层的距离调节为9mm，然后将空间升华炉抽真空到0.5Pa，接着在硒化锑的温度为510℃，钼薄膜层的温度为260℃的条件下升华10min，得到硒化锑前驱膜，记为S2；

(4)将硒源和硒化锑前驱膜放置于双温区管式炉中，对双温区管式炉抽真空并冲入纯度为5N的高纯氩气，使得双温区管式炉的石英管密闭，然后以400℃和420℃的温度分别对硒源和金属前驱膜进行加热15min，通过硒源对硒化锑前驱膜进行硒化退火，退火完毕后自然冷却至室温，得到沉积于所述衬底上的硒化锑薄膜，记为SS2；

(5)将硒化锑薄膜放置于装有硫酸镉、氨水和去离子水的混合溶液的烧杯中，并将烧杯放置于70℃的水浴中，然后向烧杯中加入硫脲，搅拌条件下，沉积于硒化锑薄膜上的硫化镉薄膜层；

(6)在氩气气氛和400℃下对硫化镉薄膜层热处理15min后，在硫化镉薄膜层上沉积ITO层以及在ITO层和钼薄膜层上沉积金，得到硒化锑薄膜太阳电池。

图2中(a)是本发明实施例1制备的硒化锑前驱膜S1的扫描电镜图，(b)是本发明实施例2制备的硒化锑前驱膜S2的扫描电镜图，(c)是本发明实施例1制备的硒化锑薄膜SS1的扫描电镜图，(d)是本发明实施例2制备的硒化锑薄膜SS2的扫描电镜图，图3是本发明实施例1和实施例2中制备的硒化锑前驱膜和硒化锑薄膜的X射线衍射图。从图2和图3可以看出，本发明实施例1和实施例2中制备的硒化锑前驱膜虽然具有择优取向，但其结晶质量较差，而由硒化锑前驱膜取向诱导生长的硒化锑薄膜不仅具有硒化锑前驱膜的择优取向性，而且结晶质量较好，使得最终获得的硒化锑薄膜太阳电池的开路电压超过500mV。

综上所述，本发明公开了一种取向诱导生长的硒化锑薄膜及其制备方法与薄膜太阳电池，包括：将硒化锑和衬底放置于空间升华炉内，通过近空间升华法在所述衬底上沉积硒化锑，得到硒化锑前驱膜；将硒源和所述硒化锑前驱膜放置于双温区管式炉中，通过硒源对所述硒化锑前驱膜进行硒化退火，得到沉积于所述衬底上的硒化锑薄膜。本发明通过具有择优取向的硒化锑前驱膜取向诱导生长制备硒化锑薄膜，制备出的硒化锑薄膜为具有择优取向大晶粒生长的薄膜，将该硒化锑薄膜应用于硒化锑薄膜太阳电池，可以克服现有强各异性硒化锑薄膜导致的载流子产生及传输受限问题，减少硒化锑薄膜太阳电池开路电压亏损，提高硒化锑薄膜太阳电池效率。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。