本发明属于太阳能电池领域，具体涉及一种多层结构的铜锌锡硫薄膜太阳能电池背电极及其制备方法。
背景技术：
：铜锌锡硫(czts)薄膜太阳能电池是一种新型的太阳能电池，相较于硅晶和硅薄膜太阳能电池，由于其光吸收层材料组分丰度高，且无毒的特点，十分适合大规模、低成本开发利用，是一种极具竞争力的无机化合物薄膜太阳能电池。czts薄膜太阳能电池的常规器件结构如下：mo/czts/cds/i～zno/ito/ni～al，以此结构为基础的czts薄膜太阳能电池器件效率已经突破10％，达到12.7％，这是czts基薄膜太阳能电池目前为止的最高效率。近期研究表明czts薄膜太阳能电池存在重大的结构缺陷，这种结构缺陷限制了czts薄膜太阳能电池器件效率的进一步的提升。jonathanj.scragg等人的研究发现czts薄膜的在退火过程中，mo与czts层之间极不稳定，会发生如下反应：mo+2cu2znsns4→2cu2s+2zns+2sns+mos2上述反应会导致czts的分解，破坏czts层的结构，产生较多的杂相，影响光吸收层的性能，从而导致器件性能的急剧衰减(journaloftheamericanchemicalsociety，2012年，第134卷，19330～19333页)。此外，由于背mo基底与czts薄膜之间晶格常数不匹配，在czts薄膜的退火过程中极易造成czts的脱膜，而czts与mo的反应会进一步地加剧czts的脱膜。目前，采用在mo与czts薄膜之间插入惰性陶瓷材料阻挡层的方法可以有效钝化mo/czts界面，抑制czts与mo反应而引发的czts的分解甚至脱膜。但是，这种方法存在以下问题：阻挡层一般采用导电性差的惰性陶瓷材料例如：tin、tib2等，这类材料虽然能够阻挡czts与mo之间的反应，但是由于tin、tib2的导电性较差，限制了mo基底对电荷的收集过程(chemistryofmaterials，2013年，第25卷，3162～3171页；appliedphysicsletters，2014年，第105卷，051105～1～5页)；其次，tin、tib2这类阻挡层的加入抑制了mo基底表面mos2的生成，而较薄的mos2有助于czts光吸收层材料与背基底之间形成欧姆接触，促进czts中电荷向基底的传输。基于以上原因，目前在mo与czts薄膜之间插入导电性差的惰性陶瓷材料会增加czts薄膜太阳能电池的串联电阻，增加短路电流，czts薄膜太阳能电池的性能改善并不明显。因此，如何对czts/mo界面结构进行合理设计，在保证界面钝化效果，提高czts薄膜的稳定性及其在mo基底上的粘附性的同时，促进界面电荷的传输，降低czts薄膜太阳能电池的串联电阻，提高短路电流，是亟待解决的问题。技术实现要素：为了解决上述技术问题，实现czts薄膜太阳能电池中czts/mo界面钝化，提高czts薄膜的稳定性及其在mo基底上的粘附性，同时促进界面电荷传输，降低czts薄膜太阳能电池的串联电阻，提高短路电流，本发明提供一种多层结构的铜锌锡硫薄膜太阳能电池背电极及其制备方法，具体如下。一种多层结构的铜锌锡硫薄膜太阳能电池背电极，包括三层结构，基底层为钼层，基底层上面依次设置有惰性金属层和二硫化钼层。上述基底层厚度为1-2μm，惰性金属层厚度为10～500nm，硫化钼层厚度为10～50nm。上述惰性金属选自铂、金、铱、铑和钯中的至少一种。一种多层结构的铜锌锡硫薄膜太阳能电池背电极的制备方法，包括以下步骤：(1)选择钼作为基底层，在其表面上沉积惰性金属层；(2)在惰性金属层表面上沉积钼；(3)将惰性金属层表面上沉积的钼进行硫化形成硫化层，即完成制备。上述惰性金属沉积为磁控溅射沉积，沉积参数为：功率50～150w、气压0.1～5pa、溅射时间10～120s。上述钼沉积为磁控溅射沉积，沉积参数为：功率30～180w、气压0.1～5pa、溅射时间10～100s。上述硫化使用硫蒸气作为硫化气氛，所述硫化层的硫化参数为：硫化温度250～600℃、升温速率10～100℃/s、硫化时间10s～60min、硫化气压0.1～100kpa。本发明的关键在于致密惰性金属层和致密硫化层的可控沉积与制备。利用致密惰性金属层和mos2对czts与mo基底层进行隔绝，阻止czts与mo基底层之间的反应，防止czts的分解脱膜以及生成较厚的mos2。同时，硫化钼层采用可控沉积法制备，可精确控制mos2薄膜的厚度以保证背电极与czts光吸收层之间形成良好的欧姆接触。本发明的有益效果：1.有效地抑制背电极与czts薄膜之间反应，提高czts薄膜生长的稳定性以及czts薄膜在背电极上的粘附性；2.精确控制mos2薄膜的厚度，保证背电极与czts薄膜之间形成良好的欧姆接触。附图说明图1为本发明的多层结构示意图。具体实施方式下面结合具体实施例对本发明进一步说明，本发明的内容完全不限于此。实施例11μmmo/10nmau/10nmmos2结构的背电极的制备：1.将1μmmo基底玻璃置于磁控溅射沉积用的腔体基盘上，抽真空至0.3pa，打开溅射惰性金属au源的电源i，设置溅射功率100w，辉光放电后，打开挡板，开始溅射，溅射时间10s后关闭电源i及挡板，完成10nmau惰性金属层的沉积；2.完成10nmau惰性金属层的沉积后，利用ar气清洗腔体，再次抽真空至0.1pa，打开溅射mo的电源ii，设置溅射功率180w，溅射时间10s后关闭电源ii及挡板，完成10nmmo层的沉积；3.将沉积有一定厚度au与mo的复合基底置于硫化管中，以50℃/s的速率升温到600℃，控制硫s蒸气气氛的气压5kpa，硫化时间10s，完成1μmmo/10nmau/10nmmos2结构背电极的制备。在1μmmo/10nmau/10nmmos2结构的背电极上沉积czts薄膜，经物相检测除czts物相以外未观察到二次相生成。对在1μmmo/10nmau/10nmmos2结构的背电极上沉积czts薄膜进行恒速拉伸测试以表征czts薄膜的粘附性，czts薄膜的临界开裂伸长量为0.15mm。在1μmmo/10nmau/10nmmos2结构的背电极上制备czts薄膜太阳能电池，置于am1.5100w/cm2的模拟太阳光下检测电池性能，开路电压570mv，短路电流密度14.3ma/cm2，填充因子0.58，电池效率4.72％，串联电阻7.01ω/cm2。实施例21.5μmmo/50nmpt/50nmmos2结构背电极的制备：1.将1.5μmmo基底玻璃置于磁控溅射沉积用的腔体基盘上，抽真空至0.1pa，打开溅射惰性金属pt源的电源i，设置溅射功率150w，辉光放电后，打开挡板，开始溅射，溅射时间20s后关闭电源i及挡板，完成50nmpt惰性金属层的沉积。2.完成50nmpt惰性金属层的沉积后，利用ar气清洗腔体，再次抽真空至2pa，打开溅射mo的电源ii，设置溅射功率30w，溅射时间100s后关闭电源ii及挡板，完成50nmmo层的沉积。3.将沉积有一定厚度pt与mo的复合基底置于硫化管中，以10℃/s的速率升温到300℃，控制硫蒸气气氛的气压0.1kpa，硫化时间60min，完成1.5μmmo/50nmpt/50nmmos2结构背电极的制备。在1.5μmmo/50nmpt/50nmmos2结构的背电极上沉积czts薄膜，经物相检测除czts物相以外未观察到二次相生成。对在1.5μmmo/50nmpt/50nmmos2结构的背电极上沉积czts薄膜进行恒速拉伸测试以表征czts薄膜的粘附性，czts薄膜的临界开裂伸长量为0.17mm。在1.5μmmo/50nmpt/50nmmos2结构的背电极上制备czts薄膜太阳能电池，置于am1.5100w/cm2的模拟太阳光下检测电池性能，开路电压562mv，短路电流密度13.7ma/cm2，填充因子0.53，电池效率4.08％，串联电阻8.49ω/cm2。实施例32μmmo/500nmpd/25nmmos2结构背电极的制备：1.将2μmmo基底玻璃置于磁控溅射沉积用的腔体基盘上，抽真空至5pa，打开溅射惰性金属pd源的电源i，设置溅射功率50w，辉光放电后，打开挡板，开始溅射，溅射时间120s后关闭电源i及挡板，完成500nmpd惰性金属层的沉积；2.完成500nmpd惰性金属层的沉积后，利用ar气清洗腔体，再次抽真空至5pa，打开溅射mo的电源ii，设置溅射功率35w，溅射时间40s后关闭电源ii及挡板，完成25nmmo层的沉积；3.将沉积有一定厚度pd与mo的复合基底置于硫化管中，以100℃/s的速率升温到250℃，控制硫蒸气气氛的气压100kpa，硫化时间30min，完成2μmmo/500nmpd/25nmmos2结构背电极的制备。在2μmmo/500nmpd/25nmmos2结构的背电极上沉积czts薄膜，经物相检测除czts物相以外未观察到二次相生成。对在2μmmo/500nmpd/25nmmos2结构的背电极上沉积czts薄膜进行恒速拉伸测试以表征czts薄膜的粘附性，czts薄膜的临界开裂伸长量为0.19mm。在2μmmo/500nmpd/25nmmos2结构的背电极上制备czts薄膜太阳电池，置于am1.5100w/cm2的模拟太阳光下检测电池性能，开路电压573mv，短路电流密度14.1ma/cm2，填充因子0.54，电池效率4.36％，串联电阻7.96ω/cm2。实施例42μmmo/500nmrh/25nmmos2结构背电极的制备：1.将2μmmo基底玻璃置于磁控溅射沉积用的腔体基盘上，抽真空至5pa，打开溅射惰性金属rh源的电源i，设置溅射功率50w，辉光放电后，打开挡板，开始溅射，溅射时间120s后关闭电源i及挡板，完成500nmrh惰性金属层的沉积；2.完成500nmrh惰性金属层的沉积后，利用ar气清洗腔体，再次抽真空至5pa，打开溅射mo的电源ii，设置溅射功率35w，溅射时间40s后关闭电源ii及挡板，完成25nmmo层的沉积；3.将沉积有一定厚度rh与mo的复合基底置于硫化管中，以100℃/s的速率升温到250℃，控制硫蒸气气氛的气压100kpa，硫化时间30min，完成2μmmo/500nmrh/25nmmos2结构背电极的制备。在2μmmo/500nmrh/25nmmos2结构的背电极上沉积czts薄膜，经物相检测除czts物相以外未观察到二次相生成。对在2μmmo/500nmrh/25nmmos2结构的背电极上沉积czts薄膜进行恒速拉伸测试以表征czts薄膜的粘附性，czts薄膜的临界开裂伸长量为0.18mm。在2μmmo/500nmrh/25nmmos2结构的背电极上制备czts薄膜太阳能电池，置于am1.5100w/cm2的模拟太阳光下检测电池性能，开路电压570mv，短路电流密度13.9ma/cm2，填充因子0.53，电池效率4.20％，串联电阻8.01ω/cm2。实施例52μmmo/250nmpd、ir合金/10nmmos2结构背电极的制备：1.将2μmmo基底玻璃置于磁控溅射沉积用的腔体基盘上，抽真空至0.2pa，打开溅射惰性金属pt源的电源i，设置溅射功率100w，同时打开溅射惰性金属ir的电源iii，设置溅射功率75w，辉光放电后，打开挡板，开始溅射，溅射时间60s后关闭电源i及挡板，完成250nmpd、ir合金惰性金属层的沉积；2.完成250nmpd、ir合金惰性金属层的沉积后，利用ar气清洗腔体，再次抽真空至0.1pa，打开溅射mo的电源ii，设置溅射功率180w，溅射时间10s后关闭电源ii及挡板，完成10nmmo层的沉积；3.将沉积有一定厚度pd、pt合金与mo的复合基底置于硫化管中，以50℃/s的速率升温到300℃，控制硫蒸气气氛的气压0.1kpa，硫化时间15min，完成2μmmo/250nmpd、ir合金/10nmmos2结构背电极的制备。在2μmmo/250nmpd、ir合金/10nmmos2结构的背电极上沉积czts薄膜，经物相检测除czts物相以外未观察到二次相生成。对在2μmmo/250nmpd、ir合金/10nmmos2结构的背电极上沉积czts薄膜进行恒速拉伸测试以表征czts薄膜的粘附性，czts薄膜的临界开裂伸长量为0.17mm。在2μmmo/250nmpd、ir合金/10nmmos2结构的背电极上制备czts薄膜太阳能电池，置于am1.5100w/cm2的模拟太阳光下检测电池性能，开路电压575mv，短路电流密度15.7ma/cm2，填充因子0.55，电池效率4.97％，串联电阻7.21ω/cm2。实施例62μmmo/250nmpd、pt合金/20nmmos2结构背电极的制备：1.将2μmmo基底玻璃置于磁控溅射沉积用的腔体基盘上，抽真空至0.2pa，打开溅射惰性金属pt源的电源i，设置溅射功率100w，同时打开溅射惰性金属pd的电源iii，设置溅射功率75w，辉光放电后，打开挡板，开始溅射，溅射时间60s后关闭电源i及挡板，完成250nmpd、pt合金惰性金属层的沉积；2.完成250nmpd、pt合金惰性金属层的沉积后，利用ar气清洗腔体，再次抽真空至0.1pa，打开溅射mo的电源ii，设置溅射功率180w，溅射时间20s后关闭电源ii及挡板，完成20nmmo层的沉积；3.将沉积有一定厚度pd、pt合金与mo的复合基底置于硫化管中，以50℃/s的速率升温到300℃，控制硫蒸气气氛的气压5kpa，硫化时间15min，完成2μmmo/250nmpd、pt合金/20nmmos2结构背电极的制备。在2μmmo/250nmpd、pt合金/20nmmos2结构的背电极上沉积czts薄膜，经物相检测除czts物相以外未观察到二次相生成。对在2μmmo/250nmpd、pt合金/20nmmos2结构的背电极上沉积czts薄膜进行恒速拉伸测试以表征czts薄膜的粘附性，czts薄膜的临界开裂伸长量为0.16mm。在2μmmo/250nmpd、pt合金/20nmmos2结构的背电极上制备czts薄膜太阳能电池，置于am1.5100w/cm2的模拟太阳光下检测电池性能，开路电压578mv，短路电流密度15.2ma/cm2，填充因子0.59，电池效率5.18％，串联电阻6.93ω/cm2。对比例1在传统mo背电极上沉积czts薄膜，经物相检测除czts物相以外还观察到cu-s、sn-s等二次相。对在传统mo背电极上沉积czts薄膜进行恒速拉伸测试以表征czts薄膜的粘附性，czts薄膜的临界开裂伸长量为0.10mm。在传统mo背电极上制备czts薄膜太阳能电池，置于am1.5100w/cm2的模拟太阳光下检测电池性能，开路电压565mv，短路电流密度12ma/cm2，填充因子0.50，电池效率3.39％，串联电阻9.81ω/cm2。表1实施例与对比例1的二次相和czts薄膜临界开裂伸长量比较项目实施例1实施例2实施例3实施例4实施例5实施例6对比例1是否有二次相无无无无无无有临界开裂伸长量/mm0.150.170.190.180.170.160.10表2实施例与对比例1的太阳能电池器件参数比较参数实施例1实施例2实施例3实施例4实施例5实施例6对比例1开路电压/mv570562573570575578565短路电流密度/ma/cm214.313.714.113.915.715.212.0填充因子0.580.530.540.530.550.590.50电池效率/％4.724.084.364.204.975.183.39串联电阻/ω7.018.497.968.017.216.939.81图1示出了本发明多层结构，通过mo基底/惰性金属层/mos2层的设计以隔离mo基底层和czts。上述表1可以看出只有对比例1存在二次相，表明本发明所设计的电极结构能够有效地起到隔离mo基底层和czts并阻止它们之间的反应的作用，临界开裂伸长量的测试结果表明实施例均优于对比例1，czts在实施例中的粘附性好。表2中各实施例和对比例背电极制备的太阳能电池的开路电压、短路电流密度、填充因子、电池效率和串联电阻的测试数据说明，本发明的背电极在开路电压上与对比例1相当，其他参数均优于对比背电极。当前第1页12