专利名称：一种硫化亚锡薄膜太阳能电池的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种硫化亚锡薄膜太阳能电池的制备方法，属太阳能制造工艺技术领 域。
背景技术：
SnS作为一种具有潜在应用前景的无毒、环保的新型光电转换材料，近年来逐渐受 到了人们的重视。若能制备出转换效率较高的SnS太阳电池，无疑对能源的利用和环境保 护方面起着积极的作用。SnS除可用于太阳电池，由于它对光的吸收系数高，利用光热转换 效应又可用作太阳能热水器的吸收层。SnS还可作为SnS-CuxS复合材料的前驱体，已成为 目前最具有开发潜力的薄膜材料之一。近几年来，世界各国的研究人员已利用各种各样的 不同的方法来制备SnS薄膜及其器件。然而采用目前的制备方法所获得的SnS薄膜的导电类型一般是ρ型，现今还无法 制备出性能较好较稳定的η型SnS薄膜，这给基于SnS上同质结的太阳能电池的制备带来 很大的困难和阻碍。因此，为了能更充分地将SnS这种材料应用到太阳能电池中，寻找合适 匹配的材料与之形成性能优异的异质结至关重要。而ZnO材料具有光透过率高及优异的光 电特性等优点，且其原料易得、廉价、无毒、对环境没有污染，是环保型材料，故ZnO被广泛 用作太阳电池窗口层，但国内外至今都无人将该类材料应用到SnS太阳能电池中，因此，在 ZnO衬底上制备SnS薄膜形成异质结的基础上开展SnS太阳能电池的研制工作意义重大。为了提高该器件的效率，所制太阳能电池结构采用了类似于OLED中的倒置结构。 通常，正序结构的ITO/SnS/ZnO/Al电池制备工艺复杂，并且若先蒸镀SnS再溅射ZnO可能 造成SnS膜的的破坏而损坏电池。因此，经过对正序结构器件结构的改善并进行比较后采 用了 ITO/ZnO/SnS/Al的倒序结构。研究制备具有较高效率的SnS异质结薄膜电池已成为光电太阳能电池的研究热
点ο
发明内容
本发明的目的在于提供一种SnS薄膜太阳能电池的制造工艺和方法。为达到上述目的，本发明采用如下技术方案一种硫化亚锡太阳能电池的制备方法，其特征在于通过真空蒸发法在由磁控溅射 法制备的ZnO衬底上沉积SnS薄膜，并采用Al材料为电极而得到了能将光能转化为电能的 太阳能电池。该方法包括以下工艺步骤a. N型窗口层材料ZnO薄膜的制备采用射频磁控溅射法在普通玻璃衬底上制备 一层本征ZnO薄膜，并以该参数在ITO衬底上沉积ZnO薄膜形成ZnO衬底以用作太阳能 电池的窗口层。得到用以制备ZnO/SnS异质结的ZnO薄膜的最佳工艺参数为沉积时间 为40min，工作气压为0. 2Pa，功率为150W，在该条件下制备出来的ZnO薄膜质量好，半高宽 (FffHM)较小，而且表面非常光滑整洁，比较适用于用来制备ZnO/SnS异质结中的η层ZnO薄
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b. P型吸收层材料SnS薄膜的制备采用真空蒸发法在ZnO衬底上制备SnS薄 膜，得到用以制备ZnO/SnS太阳能的SnS薄膜的工艺参数为衬底温度为400K，真空度为 4.0X10_4Pa，衬底与蒸发源的距离为10cm，蒸发源温度为1000°C，采用自行设计的晶振电 路对薄膜生长进行实时监控制备得到了 SnS薄膜的最佳厚度为150nm。c. Al电极的制备采用真空蒸发法制备Al电极，使用钨棒蒸镀，将铝丝弯曲并挂 于酸碱处理过的钨棒上，然后在钨棒上增加电压。利用铝和钨的亲和作用当温度升高时，铝 丝溶解后会自然地亲和在钨棒上，在蒸镀时应注意保持Al电极的沉积速率保持在2 3nm/ s左右，以此可得到高质量的膜厚为IOOnm的Al电极。上述的一种SnS太阳能电池的制备方法，其特征在于通过磁控溅射法制备ZnO衬 底、真空蒸发法沉积SnS薄膜和Al电极时的条件分别为減射ZnO时沉积时间为40min，工 作气压为0. 2Pa，功率为150W ；蒸发SnS时衬底温度为400K，真空度为4. 0 X 10_4Pa，衬底与 蒸发源的距离为10cm，蒸发源温度为1000°C ；沉积Al电极的速率保持在2 3nm/s左右。同现有的技术相比，本发明具有如下显著优点1.磁控溅射和真空蒸发技术所需的原材料不仅环保且自然界储量丰富。2.制备好的ZnO和SnS薄膜质量及稳定性都非常好。3.采用了类似于OLED中的倒置结构制备该器件。4.基于该方法制备的SnS异质结太阳能电池的转化效率可显著提高。
图1本发明中ZnO/SnS太阳能电池的结构示意图。图2本发明中ZnO/SnS太阳能电池的I_V曲线图。
具体实施例方式现将本发明的实施例叙述于后实施例一本实施例的具体工艺步骤如下a. N型窗口层材料ZnO薄膜的制备利用JC500-3/D型磁控溅射仪先在普通玻璃 衬底上制备ZnO薄膜，实验参数为溅射功率分别选为50W，100W, 150W和200W ；沉积时间依 次选用了 20min,40min, Ih和2h ；工作气压分别设定为0. 2Pa，0. 3Pa，0. 5Pa和0. 7Pa ；温度 控制在室温；靶基距为8em。通过对在不同的工艺条件下制备得到的ZnO薄膜进行比较，以 得出最佳的工艺参数在ITO衬底上沉积ZnO薄膜来制备ZnO衬底。最后，所得到用以制备 ZnO/SnS异质结的ZnO薄膜的最佳工艺参数为沉积时间为40min，工作气压为0. 2Pa,功率 为 150W。b. P型吸收层材料SnS薄膜的制备在真空蒸发SnS的过程中，影响膜厚的因素主 要有蒸发源的特性，蒸发源的物理性质，蒸发源与基片中心的距离等。为确认SnS膜厚度， 采用了自行设计的晶振电路对薄膜生长进行实时监控。制备SnS薄膜时的工艺参数为衬 底温度为400K，真空度为4. 0 X IO-4Pa,衬底与蒸发源的距离为10cm，蒸发源温度为1000°C， 最佳厚度为150nm。c. Al电极的制备采用真空蒸发法制备Al电极，使用钨棒蒸镀，将铝丝弯曲并挂于酸碱处理过的钨棒上，然后在钨棒上增加电压。利用铝和钨的亲和作用当温度升高时，铝 丝溶解后会自然地亲和在钨棒上，在蒸镀时应注意保持Al电极的沉积速率保持在2 3nm/ s左右，以此可得到高质量的膜厚为IOOnm的Al电极。本发明方法制得的SnS薄膜太阳能电池具有一定的光电转换效率，可以成功的将 部分入射光转化为电能，并且该制备方法能有效降低加工成本并提高转化效率。通过I-V光电测试电池的性能，结果表明在本发明方法制备的SnS薄膜太阳能 电池具有一定的效率，光照时器件的电学参数为JSC = 1. 38mA · cm2, VOC = 0. 42V，FF = 0. 40，Pmax = 0. 23 Imff · cm_2，其能量转换效率 η = 0. 231%。
权利要求
一种硫化亚锡太阳能电池的制备方法，其特征在于通过真空蒸发法在由磁控溅射法制备的氧化锌(ZnO)衬底上沉积硫化亚锡(SnS)薄膜，并采用Al材料为电极而得到了能将光能转化为电能的太阳能电池。该方法包括以下工艺步骤a.N型窗口层材料ZnO薄膜的制备采用射频磁控溅射法在普通玻璃衬底上制备一层本征ZnO薄膜，并以该参数在ITO衬底上沉积ZnO薄膜形成ZnO衬底以用作太阳能电池的窗口层。得到用以制备ZnO/SnS异质结的ZnO薄膜的最佳工艺参数为沉积时间为40min，工作气压为0.2Pa，功率为150W，在该条件下制备出来的ZnO薄膜质量好，半高宽(FWHM)较小，而且表面非常光滑整洁，比较适用于用来制备ZnO/SnS异质结中的n层ZnO薄膜。b.P型吸收层材料SnS薄膜的制备采用真空蒸发法在ZnO衬底上制备SnS薄膜，得到用以制备ZnO/SnS太阳能的SnS薄膜的工艺参数为衬底温度为400K，真空度为4.0×10 4Pa，衬底与蒸发源的距离为10cm，蒸发源温度为1000℃，采用自行设计的晶振电路对薄膜生长进行实时监控制备得到了SnS薄膜的最佳厚度为150nm。c.Al电极的制备采用真空蒸发法制备Al电极，使用钨棒蒸镀，将铝丝弯曲并挂于酸碱处理过的钨棒上，然后在钨棒上增加电压。利用铝和钨的亲和作用当温度升高时，铝丝溶解后会自然地亲和在钨棒上，在蒸镀时应注意保持Al电极的沉积速率保持在2～3nm/s左右，以此可得到高质量的膜厚为100nm的Al电极。
2.根据权利要求1所述的一种硫化亚锡太阳能电池的制备方法，其特征在于通过磁控 溅射法制备ZnO衬底、真空蒸发法沉积SnS薄膜和Al电极时的条件分别为溅射ZnO时沉 积时间为40min，工作气压为0. 2Pa，功率为150W ；蒸发SnS时衬底温度为400K，真空度为 4.0X10_4Pa，衬底与蒸发源的距离为10cm，蒸发源温度为1000°C ；沉积Al电极的速率保持 在2 3nm/s左右。
全文摘要
本发明涉及一种硫化亚锡薄膜太阳能电池的制备方法，属太阳能制造工艺技术领域。本发明方法特征在于磁控溅射法制备ZnO衬底、真空蒸发法沉积SnS薄膜和Al电极；本发明的具体步骤包括N型窗口层材料ZnO薄膜的制备，P型吸收层材料SnS薄膜的制备，Al电极的制备，最终制成本发明的倒序结构的ITO/ZnO/SnS/Al太阳能电池。本发明的太阳能器件适合于光电太阳能光伏电池。
文档编号C23C14/06GK101894877SQ20091005176
公开日2010年11月24日 申请日期2009年5月22日 优先权日2009年5月22日
发明者伍丽 申请人:伍丽