一种锌黄锡矿结构薄膜太阳能电池光吸收层的表面处理方法
【技术领域】
[0001] 本发明公开了一种锌黄锡矿结构薄膜太阳能电池光吸收层的表面处理方法，属于 太阳能电池技术领域。
【背景技术】
[0002] 近年来，由于环境污染和能源危机的日益严重，促成了人们对可再生类能源的重 视和研宄，也极大促进了太阳能电池等新能源领域产业的蓬勃发展。而化合物薄膜太阳能 电池因其成本低廉以及较高的理论光电转换效率已成为最具有应用前景的太阳能电池之 一，成为光伏领域开发的重点对象，其中铜铟镓硒基太阳能电池经过近40年的发展已经逐 渐从学术界走向了产业界，并获得了最高超过21%的光电转化效率，然而此类太阳能电池 中的In和Ga是稀散金属、价格昂贵且储量有限，这成为该类太阳能电池进一步发展的障 碍。
[0003] 新型的锌黄锡矿结构薄膜太阳能电池光吸收层（CUhAgJ2 (ZrVbCdb) (Sn^Ge。） (S^Sedh具有可调的禁带宽度、光吸收系数较大、性能稳定和不存在光衰效应、具有很高的 理论转换效率和广阔的发展潜力，而成为目前研宄的热点。各国学者致力提高电池的转换 效率，其中，Cu2ZnSn(S，Se) 4薄膜太阳能电池效率已经超过12%，表现出良好的应用前景。
[0004] 锌黄锡矿结构薄膜太阳能电池光吸收层材料的制备已经得到大量的研宄，真空法 和非真空法均制备出了较高质量的薄膜材料。为了进一步提高该类薄膜太阳能电池的光电 转换效率，更快实现电池的产业化，必须进一步改善锌黄锡矿结构薄膜材料的物化性质，特 别是表界面性质。目前，各种方法制备的锌黄锡矿结构薄膜均存在着表面缺陷，并且与缓冲 层形成的p-n结也存在能级不匹配、缺陷密度高等问题，会产生大量的载流子复合中心，严 重影响太阳能电池的光电转化效率。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术中的锌黄锡矿结构薄膜太阳能电池光吸收层存在的缺陷，严重影响 太阳能电池的光电转化效率，本发明的目的是在于提供一种通过离子掺杂的方式对光吸收 层表面进行处理来提高太阳能电池开路电压、填充因子和光电转换效率的方法；该方法原 料利用率高、环境友好、成本低廉，生产中可大规模推广应用。
[0006] 本发明提供了一种锌黄锡矿结构薄膜太阳能电池光吸收层的表面处理方法，该方 法是将光吸收层置于含金属离子的溶液中浸泡后，在100?600°C温度下进行退火处理；所 述的光吸收层为（Cu^AgJJZrVbCdb) (Sn^Ge。）以_?4，其中，a、b、c、d各自独立地选自 0?1〇
[0007] 本发明的处理锌黄锡矿结构薄膜太阳能电池光吸收层的表面的方法还包括以下 优选方案：
[0008] 优选的方案中含金属离子的溶液中含有Na+、K+、Ag+、Ca2+、Mg2+、Cu2+、Cd2+、Zn2+、Fe3+、 Cr3+、In3+中的至少一种。
[0009] 进一步优选的方案中含金属离子的溶液中Na+、K+和Ag+各自的浓度范围均在 0.00001?1111〇1/1^之间，〇&2+、]\%2+、〇112+、〇(12+和2112+各自的浓度范围均在0.00001?0.81]1〇1/L之间，Fe3+、Cr3+和In3+各自的浓度范围均在0. 00001?0. 6mol/L之间，且金属离子的总 浓度范围在0. 00001?3.Omol/L之间。
[0010] 优选的方案中含金属离子的溶液的温度为5?95°C。
[0011] 优选的方案中光吸收层在含金属离子的溶液中浸泡的时间为〇. 〇〇1?4h。
[0012] 优选的方案中退火处理时间为5?100分钟。
[0013] 进一步优选的方案中退火处理可以在氮气气氛或惰性气氛或反应性气氛中进行。
[0014] 进一步优选的方案中惰性气氛为氩气。
[0015] 进一步优选的方案中反应性气氛为硫蒸汽、硒蒸汽、硫化氢或硒化氢气氛。
[0016] 优选的方案中光吸收层可以重复进行多次浸泡和退火处理过程，实现表面的进一 步优化。
[0017] 本发明的锌黄锡矿结构薄膜太阳能电池光吸收层是在基底上通过真空或者非真 空法制备得到。
[0018] 相对现有技术，本发明的有益效果：本发明首次采用金属离子掺杂的方法，对锌黄 锡矿结构薄膜太阳能电池光吸收层进行表面处理，可有效改善太阳能电池的开路电压和填 充因子，提高光电转换效率。本发明先通过浸渍的方法将金属离子浸入锌黄锡矿结构薄膜 太阳能电池光吸收层表面晶格中，且均匀负载，再结合退火处理，使掺杂元素进入晶格改善 材料的缺陷化学性质，在薄膜表层形成掩埋结，降低界面复合或者有效作用于晶界，钝化界 面缺陷，减少载流子复合中心；这两种效应均可有利于改善太阳能电池的开路电压和填充 因子，提高光电转换效率，能够克服现有技术中锌黄锡矿结构薄膜存在的表面缺陷，并且与 缓冲层形成的P_n结也存在能级不匹配、缺陷密度高等问题。该方法简易、原料利用率高、 环境友好、成本低廉，生产中可大规模推广。
【附图说明】
[0019] 【图1】为实施例1制得的光吸收层薄膜表面SEM图；
[0020]【图2】为实施例3制得的光吸收层薄膜表面的XPS检测In元素的拟合曲线图。具体实施方案
[0021] 下面结合实施例，对本
【发明内容】
作进一步详细说明，但不得将这些实施例作为对 本发明权利要求保护范围的限制。
[0022] 实施例1
[0023] 制备锌黄锡矿结构薄膜太阳能电池光吸收层(：1120(16以64后，先将样品在含有 0?lmol/LNa+、0. 7mol/LCa2+和0? 5mol/LFe3+的金属盐水溶液中浸泡（溶液温度10°C，浸 泡时间3. 5h)，然后在150°C的氮气气氛下保温90分钟，最后制备成器件。
[0024] 制备的（：1120(16以64薄膜太阳能电池的开路电压为403mV，短路电流密度为 26. 98mA/cm2,填充因子48 %，电池的光电转换效率为5. 22 %。如图1所示，为离子浸泡处理 后表面的SEM图，由图1可以看出，表面形貌致密、平整，晶粒尺寸较大，无明显孔洞或缺陷。
[0025] 实施例2
[0026] 制备锌黄锡矿结构薄膜太阳能电池光吸收层&1221^1^4后，先将样品在含有 0? 3mol/LK+、0. 5mol/LAg+、0. 6mol/LMg2+、0. 5mol/LCu2+、0. 4mol/LZn2+、0. 4mol/LCr3+的金属 盐水溶液中浸泡（溶液温度30°C，浸泡时间2. 5h)，然后在250°C的氩气气氛下保温70分 钟，最后制备成器件。
[0027] 对比未经过浸泡退火工艺处理的器件性能如表1所示，由表可见，经过处理后的 器件的开路电压、填充因子和光电转换效率均有一定程度的提升。
[0028] 表1器件性能对比
[0029]
【主权项】
1. 一种锋黄锡矿结构薄膜太阳能电池光吸收层的表面处理方法，其特征在于，将光吸 收层置于含金属离子的溶液中浸泡后，在100?600°c温度下进行退火处理；所述的光吸收 层为（Cui_aAga)2狂rVbCdb)袖1_脚。）（Si_dSed)4,其中，a、b、c、d各自独立地选自0?1。
2. 根据权利要求1所述的锋黄锡矿结构薄膜太阳能电池光吸收层的表面处理方法，其 特征在于，所述的含金属离子的溶液中含有Na\ r、Ag\ Ca"、Mg"、化2\ CcT、化2\化化 In3+中的至少一种。
3. 根据权利要求2所述的锋黄锡矿结构薄膜太阳能电池光吸收层的表面处理方法，其 特征在于，所述的含金属离子的溶液中Na\r和Ag +各自的浓度范围均在0. 00001?Imol/ L之间，Ca"、Mg"、Cu"、CcT和化"各自的浓度范围均在0. 00001?0. 8mol/L之间，化 化和In 各自的浓度范围均在0. 00001?0. 6mol/L之间，且金属离子的总浓度范围在 0. 00001 ?3. Omol/L 之间。
4. 根据权利要求1所述的锋黄锡矿结构薄膜太阳能电池光吸收层的表面处理方法，其 特征在于，所述的含金属离子的溶液的温度为5?95°C。
5. 根据权利要求1?4任一项所述的锋黄锡矿结构薄膜太阳能电池光吸收层的表面处 理方法，其特征在于，所述的光吸收层在含金属离子的溶液中浸泡的时间为0. 001?化。
6. 根据权利要求1所述的锋黄锡矿结构薄膜太阳能电池光吸收层的表面处理方法，其 特征在于，所述的退火处理时间为5?100分钟。
7. 根据权利要求1所述的锋黄锡矿结构薄膜太阳能电池光吸收层的表面处理方法，其 特征在于，所述的退火处理可W在氮气气氛或惰性气氛或反应性气氛中进行。
8. 根据权利要求7所述的锋黄锡矿结构薄膜太阳能电池光吸收层的表面处理方法，所 述的惰性气氛为氣气，所述的反应性气氛为硫蒸汽、砸蒸汽、硫化氨或砸化氨气氛。
9. 根据权利要求1所述的锋黄锡矿结构薄膜太阳能电池光吸收层的表面处理方法，其 特征在于，光吸收层可W重复进行多次浸泡和退火处理过程，实现表面的进一步优化。
【专利摘要】本发明公开了一种锌黄锡矿结构薄膜太阳能电池光吸收层的表面处理方法，该方法是将光吸收层(Cu1-aAga)2(Zn1-bCdb)(Sn1-cGec)(S1-dSed)4(其中，a、b、c、d各自独立地选自0～1)置于含金属离子的溶液中浸泡后，进行退火处理；该方法处理后的锌黄锡矿结构薄膜太阳能电池光吸收层能很好地改善吸光层的表面缺陷，能有效提高太阳能电池的开路电压、填充因子和光电转换效率，且该方法原料利用率高、环境友好、成本低廉，生产中可大规模推广应用。
【IPC分类】H01L31-18
【公开号】CN104617186
【申请号】CN201510062290
【发明人】刘芳洋, 高春晖, 蒋良兴, 秦勤, 杨佳, 赵联波
【申请人】中南大学
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2015年2月6日