一种铜锡硫光吸收层薄膜材料的制备方法与流程

本发明涉及一种铜锡硫光吸收层薄膜材料的制备方法，属于薄膜太阳能电池领域。

背景技术：

近年来，P型半导体Cu₂SnS₃（CTS）由于具有较高的光吸收系数、较适合的光学带隙（0.92-1.35eV）以及元素地壳含量丰富受到了国内外极大的关注。作为薄膜太阳能电池光吸收层材料，其理论转换效率可达30%，展现出了极大的商业应用潜力。目前，制备CTS薄膜的方法大致可分为真空法和溶液法。M.Nakashima等人通过连续蒸发Na/Cu/Sn金属前驱体层，然后在含有硫和锡的气氛中570 ℃退火制备了转换效率为4.64%的CTS薄膜太阳能电池。当然，采用真空方法沉积CTS薄膜对设备的要求比较高，生产成本同样也很高。相比之下，非真空方法对设备的要求较低，成本不高，也广泛应用于CTS薄膜制备。M. P. Suryawanshi等人通过旋涂含有Cu和Sn元素的水基前驱体溶液形成前驱体薄膜，尔后硫化的方法制备CTS薄膜太阳能电池，转换效率为1.8%。后硫化过程工艺比较复杂且会导致原材料浪费及环境污染等问题。因此，开发一种不涉及后硫化制备高质量CTS薄膜的溶液方法对其在太阳能电池领域的实际应用具有重大意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种铜锡硫光吸收层薄膜材料的制备方法。

本发明采用一步溶液法制备铜锡硫薄膜，所得铜锡硫薄膜材料致密平整无孔洞，相成分单一。

一种铜锡硫光吸收层薄膜材料的制备方法，其特征在于具体步骤为：

1）将0.2~1.0 mol/L金属铜盐加入有机溶剂中，搅拌至完全溶解后，加入0.11~0.56 mol/L金属锡盐继续搅拌至溶解，最后加入1.6~8.0 mol/L的含硫化合物搅拌至完全溶解形成稳定的CTS前驱体溶液；

2）将玻璃依次在丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗干净；

3）将前驱体溶液旋涂到玻璃基底上，然后在250 ℃~400 ℃干燥1~10分钟，反复旋涂沉积；

4）待旋涂完毕后将样品置于400 ℃~600 ℃退火5分钟~2小时，升温速率为10 ~50 ℃/min，自然降温，在退火过程中，持续通保护气体N₂，流量为10~35 mL/min，即可得到CTS薄膜。

所述CTS薄膜的厚度为1.0~2.0 μm。

所述铜盐、锡盐为铜和锡的硝酸盐、硫酸盐、醋酸盐或氯化盐。

所述含硫化合物为硫粉、硫脲、硫代乙酰胺或硫醇。

所述有机溶剂为乙醇、乙二醇甲醚、二甲基亚砜、乙醇胺、乙二醇或水。

本发明与现有技术相比具有的优点：本发明不经过后硫化过程，无需真空设备，制备周期短，生产成本低，易于控制、操作简便、便于工业化生产；所用有机溶剂绿色环保，对制作环境的要求低；实验可重复性和稳定性也比较好，在太阳能电池方面有较好的应用价值。

附图说明

图1是CTS薄膜的典型表面及截面形貌图。

图2是CTS薄膜的带隙随硫含量变化关系图，图中S/M为前驱体溶液中硫源与金属的比例。

具体实施方式

实施例1

将0.8 mol/L醋酸铜和0.44 mol/L无水氯化亚锡加入至10 mL二甲基亚砜中，搅拌至完全溶解，然后加入2.48 mol/L硫脲形成透明澄清的CTS前驱体溶液；(2) 利用匀胶机将CTS溶胶前驱体旋涂到清洗干净的玻璃基底上，然后在加热板上300 ℃干燥5分钟，反复旋涂7次；(4)待旋涂完毕后将样品置于管式炉中580 ℃退火10分钟，升温速率为10 ℃/min，在退火过程中，持续通保护气体N₂，流量为15 mL/min，即可得到厚度约为1 μm的CTS薄膜。带隙为1.09 eV，如附图2所示。

实施例2

将0.8 mol/L醋酸铜和0.44 mol/L无水氯化亚锡加入至10 mL二甲基亚砜中，搅拌至完全溶解，然后加入4.96 mol/L硫脲形成透明澄清的CTS前驱体溶液；(2) 利用匀胶机将CTS溶胶前驱体旋涂到清洗干净的玻璃基底上，然后在加热板上300 ℃干燥5分钟，反复旋涂7次；(4)待旋涂完毕后将样品置于管式炉中580 ℃退火10分钟，升温速率为10 ℃/min，在退火过程中，持续通保护气体N₂，流量为15 mL/min，即可得到厚度约为1 μm、晶粒较大的CTS薄膜。带隙为1.05 eV，如附图2所示。

实施例3

将0.8 mol/L醋酸铜和0.44 mol/L无水氯化亚锡加入至10 mL二甲基亚砜中，搅拌至完全溶解，然后加入7.44 mol/L硫脲形成透明澄清的CTS前驱体溶液；(2) 利用匀胶机将CTS溶胶前驱体旋涂到清洗干净的玻璃基底上，然后在加热板上300 ℃干燥5分钟，反复旋涂7次；(4)待旋涂完毕后将样品置于管式炉中580 ℃退火10分钟，升温速率为10 ℃/min，在退火过程中，持续通保护气体N₂，流量为15 mL/min，即可得到厚度约为1 μm、表面平整且相成分单一的CTS薄膜，如附图1所示。带隙为1.02 eV，如附图2所示。