专利名称：真空蒸发制备ZnS/SnS双层薄膜的方法
技术领域：
本发明涉及用真空蒸发法制备ZnS/SnS双层薄膜的方法，属太阳能电池无机薄膜 元件制备工艺技术领域。
背景技术：
提高转换效率和降低成本是光伏产业所面临的主要问题，薄膜太阳能电池与单晶 多晶硅太阳能电池相比，其优势在于制造成本更低，制备过程更为简单其且多样化。II-VI 族化合物半导体SnS，晶格结构为a=4. 329 ，b=ll. 193 ，c=3. 980 ，Sn和S原子通过范德 华力联系在一起。由于其天然无毒且在可见光范围的优良的带隙宽度(间接带隙1.0-1. 1， 直接带隙1. 3-1. 5)，引起人们的关注。SnS薄膜在太阳能电池中较适合做吸收层，又呈自然的P型，可以与N型半导体形 成P-N结，在理论上SnS薄膜太阳能电池的转化效率可达到25%。目前国外报道中研究最 多的结构是SnS/CdS异质结型电池，K. T. R. Reddy研究小组用SnCl和硫脲混合溶液，使用 喷雾热分解法，在温度为350°C的镀SnO2的玻璃衬底上制作SnS薄膜，使用真空蒸发法制 作CdS薄膜，掺入了 2 at%的In来降低CdS电阻率，最后在CdS上蒸镀的In电极。制作 的CdS/SnS太阳能电池转化效率为1. 3%，量子效率为70%。这是目前报道的转化效率最高 的SnS薄膜电池。但是大多SnS/CdS电池的效率无法提升到2%以上，Masaya Ichimura从 理论上证明由于SnS和CdS的结构问题，导致了 SnS/CdS异质结的能带偏移。SnS导带的偏 移阻止了光生载流子的在PN结之间的流动，这就部分解释了 SnS/CdS转换效率低的问题。基于上述的问题，人们尝试了各种方法寻找另外一种N型半导体来制作SnS薄膜 太阳能电池。SnS/ZnO、SnS/ZnS和SnS/SnS2等异质结的制备与研究进入了人们的视野。 Masaya Ichimura小组和Biswajit Ghosh小组选择电沉积技术制造ZnO薄膜作为SnS薄 膜电池为窗口层。在Tetsuya Miyawaki使用了一种新的方法，即光化学沉积法(P⑶)来制 作ZnS薄膜作为太阳能电池的窗口层。同样M. Gimasekaran小组使用光化学沉积发得到 CdZnS薄膜。虽然这些尝试至今没有在提高SnS薄膜的太阳能电池的效率上有所突破，但这 些研究对于后来人的研究提供了很多的借鉴。
发明内容
本发明的目的是提供一种真空蒸发制备太阳能电池ZnS/SnS双层薄膜的方法。本发明一种真空蒸发制备太阳能电池ZnS/SnS双层薄膜的方法，其特征在于具有 以下的过程和步骤。a. 先将作为衬底用的涂复有掺锡氧化铟(ITO)的玻璃用去离子水、丙酮、无水 乙醇分别在超声条件下进行清洗；烘干后装在真空镀膜装置的样品夹上；采用真空蒸发系 统，将纯度为96%的SnS粉末和纯度为99%的ZnS粉末分别放入两个蒸发钼舟内，采用先后 连续分舟蒸发ZnS和SnS的方式形成双层薄膜；两个钼舟分别用电热导线连接至外面的温 度控制装置上；控制衬底温度为150°C 160°C，真空压力为(2 3) X 10-3Pa ；样品架与钼舟蒸发源之间的距离为20 25cm ；蒸发源SnS和ZnS的加热温度分别为1000°C 1200°C ； b.真空蒸发过程结束后，将镀覆有双层薄膜的衬底放入真空管式退火炉中进行退火， 退火的温度选择为300°C，400°C和500°C ；控制退火炉的温度曲线呈阶梯上升形态；整个退 火过程中需通入氮气，以防薄膜表面发生氧化。本发明利用P型半导体SnS作为吸收层，而ZnS为直接带隙N型半导体，其禁带宽 度为3.5 3.8eV，具有良好的光电性能，适合作为太阳能电池的窗口层。本发明的特点和优点如下所述
1.采用真空蒸发法制备薄膜。该方法具有工艺简单，成膜均勻，生长速度快等优点。2.该发明P型和N型薄膜采用同种工艺方法，避免了使用不同工艺而导致的工艺 不匹配，同时提高了薄膜制备的效率，降低了制作的成本。3.该方法制备的薄膜具有优良的电学性能和光学性能，且合适的退火温度能进一 步改善薄膜的性能，有很强的实用性。4.该薄膜结构简单，能很好的应用于SnS薄膜太阳能电池。
图1为本发明ZnS/SnS双层薄膜的退火温度曲线。图2为本发明不同退火温度下的ZnS/SnS薄膜X射线衍射(XRD)图。图3为本发明在300°C和400°C退火温度下薄膜的I_V曲线图。图4为本发明在500°C退火温度下薄膜的I-V曲线图。图5为本发明不同退火温度下的ZnS/SnS双层薄膜的吸收光谱图。
具体实施例方式现将本发明的具体实施例进一步详细叙述于后 实施例本实施例的制备过程和步骤如下所述
(1)制备样品前，先将作衬底用的ITO玻璃分别用去离子水、丙酮、无水乙醇在超声中 清洗15分钟，烘干后装入真空镀膜机的样品夹上。(2)本发明使用北京北仪创新真空设备公司的DM-450A真空蒸发系统，采用纯度 为96%的SnS粉末和纯度为99%的ZnS粉末，重量分别为50mg和70mg，分别放入到两个蒸 发钼舟内。调整样品架与蒸发源(钼舟)间的距离，约为20cm。蒸发过程中参数的控制如表 1所示。
表1蒸发过程中控制的工艺参数
权利要求
一种真空蒸发制备太阳能电池ZnS/SnS双层薄膜的方法，其特征在于具有以下的过程和步骤a． 先将作为衬底用的涂复有掺锡氧化铟(ITO)的玻璃用去离子水、丙酮、无水乙醇分别在超声条件下进行清洗；烘干后装在真空镀膜装置的样品夹上；采用真空蒸发系统，将纯度为96%的SnS粉末和纯度为99%的ZnS粉末分别放入两个蒸发钼舟内，采用先后连续分舟蒸发ZnS和SnS的方式形成双层薄膜；两个钼舟分别用电热导线连接至外面的温度控制装置上；控制衬底温度为150℃～160℃，真空压力为(2～3)×10 3Pa；样品架与钼舟蒸发源之间的距离为20～25cm；蒸发源SnS和ZnS的加热温度分别为1000℃1200℃；b.真空蒸发过程结束后，将镀覆有双层薄膜的衬底放入真空管式退火炉中进行退火，退火的温度选择为300℃，400℃和500℃；控制退火炉的温度曲线呈阶梯上升形态；整个退火过程中需通入氮气，以防薄膜表面发生氧化。
全文摘要
本发明涉及一种真空蒸发法制备太阳能电池ZnS/SnS双层薄膜的方法，属太阳能电池无机薄膜元件制备工艺技术领域。本发明使用P半导体SnS为作为吸收层，使用真空蒸发系统，采用连续分舟蒸发ZnS和SnS薄膜获得双层薄膜的方式。调整样品架本发明中，ITO玻璃衬底温度控制为150℃～160℃，真空压力为2~3×10-3Pa，衬底与蒸发源钼舟间的距离为20cm左右，控制SnS和ZnS的蒸发温度为1000～1200℃；蒸发过程完成后，进入真空管式退火炉进行退火，退火的温度分别选择为300℃，400℃和500℃。本发明方法工艺简单，薄膜制备的效率高，制得的薄膜具有良好的电学和光学性能，适合应用于太阳能电池。
文档编号C23C14/58GK101962752SQ20101052486
公开日2011年2月2日 申请日期2010年10月29日 优先权日2010年10月29日
发明者刘晟, 史伟民, 周杰, 孙杰, 张小丽, 武文军, 淤凡枫, 聂磊, 胡喆, 陈振一, 陈洁利, 马磊, 黄璐 申请人:上海大学