一种制备铜锑硫太阳能电池吸收层的方法与流程

本发明涉及的是一种制备铜锑硫(cusbs2)太阳能电池吸收层的方法，属于光电功能材料领域。

背景技术：

进入21世纪，随着社会的发展和人类生活水平的提高，人类对能源的需求及使用大幅度增长。由于人类正快速消耗着地球上有限的不可再生资源，能源和与之相关的环境问题日益凸显，如雾霾、温室效应等，这就产生了人类必须要面临的严峻挑战——能源危机与生存危机。因此，可再生能源的开发与利用刻不容缓。目前研究的可再生能源主要有风能、潮汐能、地热能、太阳能等。与其他可再生能源相比，太阳能因其无穷无尽、分布广泛、稳定持久等特性，在未来能源领域中占据着重要地位。由此可见，太阳能是最具潜力的新能源之一，成为当今学者研究的热点。太阳能电池是一种将太阳能直接转换为电能的装置，能够帮助人类高效的利用太阳能。

经过多年的发展，太阳能电池的研究已取得了许多成果。目前，薄膜太阳能电池因工艺简单，成本低、耗能较少等优点受到广泛关注，但主流的gaas、cdte和cis/cigs太阳能电池，由于gaas价格昂贵，cd、te有毒而对环境有害，in是稀缺元素，储量较少，在一定程度上限制了这些太阳能电池的发展。因此，寻找一种能够替代cdte和cis/cigs的元素储量丰富且无毒的材料尤为重要。铜锑硫(cusbs2)是一种发展前景广阔的三元半导体材料，广泛应用于红外探测器和太阳能电池领域。理论和研究表明，cusbs2的带隙在1.4-1.6ev，其在可见光区域内的光学吸收系数大于10⁴cm^-1，非常适合用作太阳电池的吸收层材料。此外，cusbs2元素储量丰富且由毒性较低的元素组成，有望代替cdte和cigs作为薄膜太阳能电池吸收层的材料。近年来，有关于al:zno/cds/cusbs2/mo/glass结构的太阳能电池器件的转换效率为3.1％的报道(thinsolidfilms.2014,550(1):700–704)。

目前，cusbs2薄膜的制备方法有蒸镀法、磁控溅射法等真空方法和溶液法、电沉积等非真空法，非真空法与真空法相比，具有成本低廉的优势。然而采用溶液法制备的cusbs2薄膜尽管质量很高，但多以剧毒的肼为溶剂，不符合环保的要求。本发明以廉价且无毒的有机溶剂作为溶剂，溶液涂敷制备出具有优异光电性能的cusbs2薄膜。

技术实现要素：

本发明提出一种制备cusbs2太阳电池吸收层的溶液涂敷方法，该方法无需真空设备，降低生产成本，制备周期短，适合工业化大规模生产，制备cusbs2薄膜所用的材料都是无毒、无污染且廉价的，这极大降低了太阳电池的生产成本，具有良好的应用前景。

本发明所涉及的cusbs2薄膜的制备方法是通过以下技术方案实现的，具体包括以下几个步骤：

步骤1：衬底的清洗：采用肥皂水、去离子水、乙醇、去离子水依次超声清洗衬底；

步骤2：cusbs2前驱体溶液的制备：将含有cu、sb和s的化合物添加到有机溶剂中，从而制得cusbs2前驱体溶液。其中所述的含cu化合物的浓度0.01m-0.05m，含sb化合物的浓度为0.01m-0.06m，含s化合物的浓度为0.08m-0.2m；

步骤3：cusbs2薄膜的制备：采用旋涂法、喷涂法或刮涂法将所制备的前驱体分子溶液涂敷到衬底上，在100-400℃下烘干1-10min，重复多次上述步骤制成具有一定厚度的cusbs2薄膜；

步骤4：退火处理：将步骤3中所制备的cusbs2薄膜进行退火处理，气氛为惰性气体或硫气氛，退火温度为300-600℃，时间为10-120min，气压为2-101.325kpa。

其中步骤1所述的衬底为钠钙玻璃、涂有钼薄膜的玻璃、康宁玻璃等。

其中步骤2所述的cu的化合物为硝酸铜或乙酸铜，锡的化合物为氯化锑、硝酸锑，含硫化合物为硫脲、硫代乙酰胺、l-半胱氨酸中的一种或其组合，有机溶剂为乙二醇、乙二醇甲醚、二甲基亚砜中的一种或其组合。

本发明的有益效果：

本发明采用的原材料都是环境相容性的，不会对环境造成破坏，避免使用难以降解或者对环境污染的化学药品或试剂。

本发明根据cusbs2前驱体溶液的优点，制备出的薄膜元素可控，而且能够制备出带隙在一定范围内可控的cusbs2薄膜。

本发明制得的cusbs2前驱体溶液，可以有效减少薄膜在退火过程中产生的微裂纹，并有效地提高了所制备薄膜的结晶性，大大提高了薄膜的光电性能。

本发明所采用的溶液法属于非真空法，避免了采用真空设备昂贵的问题，而且这种方法适合大规模生产，应用前景广阔。

附图说明

图1为实施例1中所制备的cusbs2薄膜的x射线衍射(xrd)图谱

图2为实施例1中所制备的cusbs2薄膜的扫描电子显微镜图片(sem)

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步描述，但不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1

称取0.02m硝酸铜、溶于5ml乙二醇中，充分溶解后冷却至室温，把0.03m氯化锑加入到上述溶液中，完全溶解后再加入0.1m硫脲，配制成cusbs2前驱体溶液。将所配制的cusbs2前驱体溶液旋涂到涂有mo薄膜的玻璃衬底上，在300℃下烘干2min，重复此工艺20次，制得cusbs2薄膜。

将所制备的cusbs2薄膜放入到双温区真空管式退火炉中的高温区，在低温区加入500mg硫粉，在硫气保护下进行退火处理，按照20℃/min升温至350℃，保温40min，硫化气压为30kpa，然后随炉冷却至室温。图1为实施例1中所制备cusbs2薄膜的xrd图谱，所制得的薄膜具有明显的衍射峰，衍射峰较为尖锐，说明具有很好的结晶性。图2为实施例1中所制备cusbs2薄膜的sem图片，所制备的薄膜较为致密，存在棒状的晶粒。

实施例2

称取0.03m醋酸铜、0.04m氯化锑、0.1m的硫脲溶于6ml的二甲基亚砜中，使其充分溶解，得到cusbs2前驱体溶液。将所配制的cusbs2前驱体溶液喷涂到钠钙玻璃衬底上，在280℃下烘干1.5min，重复此工艺15次，制得cusbs2薄膜。

最后，将所制备的cusbs2薄膜放入到真空管式退火炉中，在氮气氛保护下进行退火处理，按照50℃/min升温至500℃，保温20min，退火气压为101.325kpa，然后随炉冷却至室温。所制备的cusbs2薄膜结晶性良好。

实施例3

称取0.02m硝酸铜、0.02m硝酸锑、0.16m的硫脲溶于5ml的乙二醇甲醚中，使其充分溶解，得到cusbs2前驱体溶液。将所配制的cusbs2前驱体溶液刮涂到有mo薄膜的玻璃衬底上，在320℃下烘干2min，重复此工艺10次，制得cusbs2薄膜。

最后，将所制备的cusbs2薄膜放入到真空管式退火炉中，在氩气保护下进行退火处理，按照30℃/min升温至400℃，保温100min，退火气压为101.325kpa，然后随炉冷却至室温。所制备的cusbs2薄膜具有良好的结晶性。

实施例4

称取0.015m醋酸铜、0.02m氯化锑、0.1m硫代乙酰胺溶于6ml的乙二醇中，使其充分溶解，得到cusbs2前驱体溶液。将所配制的cusbs2前驱体溶液喷涂到康宁玻璃衬底上，在250℃下烘干3min，重复此工艺18次，制得cusbs2薄膜。

最后，将所制备的cusbs2薄膜放入到真空管式退火炉中，在硫化氢保护下进行退火处理，按照30℃/min升温至550℃，保温120min，退火气压为101.325kpa，然后随炉冷却至室温。所制备的cusbs2薄膜具有良好的结晶性。

实施例5

称取0.05m硝酸铜、0.06m氯化锑、0.2m的l-半胱氨酸溶于8ml的乙二醇甲醚中，使其充分溶解，得到cusbs2前驱体溶液。将所配制的cusbs2前驱体溶液旋涂到钠钙玻璃衬底上，在300℃下烘干5min，重复此工艺22次，制得cusbs2薄膜。

将所制备的cusbs2薄膜放入到双温区真空管式退火炉中的高温区，在低温区加入500mg硫粉，在硫气保护下进行退火处理，按照20℃/min升温至450℃，保温60min，硫化气压为2kpa，然后随炉冷却至室温。。

实施例6

称取0.02m醋酸铜、0.03m硝酸锑、0.09m硫代乙酰胺溶于10ml的二甲基亚砜中，使其充分溶解，得到cusbs2前驱体溶液。将所配制的cusbs2前驱体溶液旋涂到涂有mo薄膜的玻璃衬底上，在230℃下烘干8min，重复此工艺25次，制得cusbs2薄膜。

最后，将所制备的cusbs2薄膜放入到真空管式退火炉中，在硫化氢气氛保护下进行退火处理，按照30℃/min升温至350℃，保温140min，退火气压为101.325kpa，然后随炉冷却至室温。所制备cusbs2薄膜具有很好的结晶性。