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一种制备AgZnSnS同质结薄膜电池的方法 【EN】Method for preparing Ag2ZnS4 homojunction film cell

申请(专利)号:CN201611041994.7国省代码:江苏 32
申请(专利权)人:【中文】常州大学【EN】Changzhou University
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摘要:
【中文】本发明涉及一种制备Ag2ZnSnS4同质结薄膜电池的方法,首先,提供SLG衬底;在所述SLG衬底上磁控溅射Mo靶材形成Mo电极层;然后,在所述Mo电极层上依次溅射SnS、ZnS、Ag三种靶材,形成叠层AZT前驱体结构;在所述叠层AZT前驱体结构上共同溅射SnS、ZnS、Ag三种靶材,形成AZT前躯体薄膜;将所述AZT前躯体薄膜硫化退火,形成AZTS半导体薄膜;接着,在所述AZTS半导体薄膜上溅射形成本征ZnO层;在所述本征ZnO层上溅射形成ITO层;最后,在ITO层上蒸发制备银电极层,形成Ag2ZnSnS4同质结薄膜电池。该方法简单,易于操作,制备得到的AZTS同质结电池,在半导体领域等方面的发展具有十分重要的科学意义。 【EN】Paragraph:The invention relates to a method for preparing an Ag2ZnS4 homojunction film cell. The method includes the steps of preparing an SLG substrate, conducting magnetron sputtering of Mo target material on the SLG substrate to form an Mo electrode layer, sequentially sputtering three types of material including SnS, ZnS and Ag on the Mo electrode layer to form a laminated AZT precursor structure, jointly sputtering the three types of material including SnS, ZnS and Ag on the laminated AZT precursor structure to form an AZT precursor film, conducting sulfuration annealing for the AZT precursor film to form an AZTS semiconductor film, sputtering on the AZTS semiconductor film to form an intrinsic ZnO layer, sputtering on the intrinsic ZnO layer to form an ITO layer, and finally evaporating and preparing a silver electrode layer on the ITO layer to form an Ag2ZnSnS4 homojunction film cell. The method is simple and easy to operate, and the manufactured AZTS homojunction cell is of great importance to development of the semiconductor filed.Image:201611041994.GIF

主权项:
【中文】一种制备Ag2ZnSnS4同质结薄膜电池的方法,其特征在于,包括:提供SLG衬底;在所述SLG衬底上磁控溅射Mo靶材形成Mo电极层;在所述Mo电极层上依次溅射SnS、ZnS、Ag三种靶材,形成叠层AZT前驱体结构;在所述叠层AZT前驱体结构上共同溅射SnS、ZnS、Ag三种靶材,形成AZT前躯体薄膜;将所述AZT前躯体薄膜硫化退火,形成AZTS半导体薄膜;在所述AZTS半导体薄膜上溅射形成本征ZnO层;在所述本征ZnO层上溅射形成ITO层;在ITO层上蒸发制备银电极层,形成Ag2ZnSnS4同质结薄膜电池。 【EN】1. one kind prepares AgZnSnSThe method of homojunction hull cell is it is characterised in that include: SLG substrate is provided; On described SLG substrate, magnetron sputtering Mo target forms Mo electrode layer; Tri- kinds of targets of SnS, ZnS, Ag are sputtered successively on described Mo electrode layer, forms lamination AZT precursor construction; In described lamination AZT precursor construction, common sputtering tri- kinds of targets of SnS, ZnS, Ag, form AZT precursor thin film; Described AZT precursor thin film is vulcanized annealing, forms AZTS semiconductive thin film; On described AZTS semiconductive thin film, sputtering forms intrinsic zno layer; In described intrinsic zno layer, sputtering forms ITO layer; Silver electrode layer is prepared in evaporation on the ito layer, forms AgZnSnSHomojunction hull cell.


说明书

一种制备Ag2ZnSnS4同质结薄膜电池的方法

技术领域

本发明涉及一种Ag2ZnSnS4同质结薄膜电池的方法。

背景技术

近年来,随着地球上石油和煤炭等化石燃料的逐渐耗尽以及环境污染严重,可再

生能源的利用与开发显得越来越紧迫,其中,太阳能光伏发电将取之不尽的辐射到地面上

的太阳能通过太阳电池等光伏器件的光电转换而源源不断地转变成为电能,已经成为可再

生能源中最安全、最环保和最具潜力的竞争者。目前制约太阳能光伏发电产业发展的瓶颈

在于成本较高和转换效率偏低。精选电池材料并优化组件设计与制作工艺,转换效率有望

得到提升;而提高生产效率扩大产能,成本也会随之得到降低。目前在太阳能电池中广泛使

用的是晶体硅太阳能电池,占全球太阳能市场的90%,目前单晶硅太阳能电池的实验室效

率已经达到25.6%。与此同时,基于不同光伏材料和不同结构的诸多太阳能电池不断涌现。

薄膜太阳能电池可以应用在柔性电池领域,并且使用材料较少,受到了广泛关注。目前研究

较多的是Cu2ZnSnS4、Cu(In,Ga)Se2、CdTe、GaAs等薄膜电池,但是由于一些有毒物质的使用,

元素的稀缺导致的成本提高,这些电池并没有得到广泛的应用。因此需要开发新型的电池,

既要降低成本又要避免有毒物质的使用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是:克服现有技术中电池成本高、还需要使用有毒物质

的技术问题,提供一种制备Ag2ZnSnS4同质结薄膜电池的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:提供一种制备Ag2ZnSnS4同质结薄膜

电池的方法,其包括:提供SLG衬底;在所述SLG衬底上磁控溅射Mo靶材形成Mo电极层;在所

述Mo电极层上依次溅射SnS、ZnS、Ag三种靶材,形成叠层AZT前驱体结构;在所述叠层AZT前

驱体结构上共同溅射SnS、ZnS、Ag三种靶材,形成AZT前躯体薄膜;将所述AZT前躯体薄膜硫

化退火,形成AZTS半导体薄膜;在所述AZTS半导体薄膜上溅射形成本征ZnO层;在所述本征

ZnO层上溅射形成ITO层;在ITO层上蒸发制备银电极层,形成Ag2ZnSnS4同质结薄膜电池。

作为本发明的一个优选的实施例,所述Mo电极层的厚度为600nm,所述AZT前躯体

薄膜的厚度为300nm,所述银电极层的厚度为150nm。

作为本发明的一个优选的实施例,在提供SLG衬底之前还包括步骤:对SLG玻璃依

次用泡沫水,丙酮,乙醇和去离子水超生清洗,然后干燥。

作为本发明的一个优选的实施例,所述在所述SLG衬底上磁控溅射Mo靶材形成Mo

电极层包括:将清洗干净的SLG衬底放入溅射腔体,采用磁控溅射单靶沉积方法,溅射靶材

为Mo靶材,工作气体为99.999%浓度的氩气,工作气压为0.7pa,功率为90W制得Mo电极层。

作为本发明的一个优选的实施例,所述在所述Mo电极层上依次溅射SnS、ZnS、Ag三

种靶材,形成叠层AZT前驱体结构包括:采用SnS,ZnS,Ag靶材按照顺序叠层溅射,将具有所

述Mo电极层的SLG衬底放入溅射腔体,工作气体为99.999%浓度的氩气,工作压强为0.7Pa,

SnS、ZnS、Ag三种靶材的功率分别为60W,90W,60W,溅射时间分别为80、75、15分钟,形成叠层

AZT前驱体结构。

作为本发明的一个优选的实施例,所述在所述叠层AZT前驱体结构上共同溅射

SnS、ZnS、Ag三种靶材,形成AZT前躯体薄膜包括:采用磁控溅射多靶共沉积方法,用SnS、

ZnS、Ag三种靶材进行共溅,工作气体为99.999%浓度的氩气,工作压强为0.7Pa,SnS、ZnS、

Ag三种靶材的功率分别为36W,90W,10W,溅射时间为5min,形成AZT前躯体薄膜。

作为本发明的一个优选的实施例,所述将所述AZT前躯体薄膜硫化退火,形成AZTS

半导体薄膜包括:将具有AZT前躯体薄膜的SLG衬底放入有H2S气氛的高温管式炉中,硫化退

火温度为500℃,保持120min。

作为本发明的一个优选的实施例,所述在所述AZTS半导体薄膜上溅射形成本征

ZnO层包括:采用磁控溅射单靶沉积方法将具有AZTS半导体薄膜的SLG衬底放入磁控溅射腔

体,加热至80℃,以99.999%浓度的氩气作为工作气体,工作压强为0.7Pa,功率为60W,溅射

25分钟形成本征ZnO层。

作为本发明的一个优选的实施例,所述在所述本征ZnO层上溅射形成ITO层包括:

采用磁控溅射单靶沉积方法将具有本征ZnO层的SLG衬底加热至200℃,工作气体为

99.999%浓度的氩气,反应气体为99.999%浓度的氧气,所述氩气与氧气流量比为100:1,

工作压强为0.7Pa,功率为80W,溅射45min,形成ITO层。

作为本发明的一个优选的实施例,所述在ITO层上蒸发制备银电极层包括:将具有

所述ITO层的SLG衬底放入高真空蒸发腔室,蒸发制备银电极层。

本发明的有益效果是:(1)该方法在AZTS内部形成了pn结,从而不需要有毒的CdS

作为缓冲层;(2)该方法简单,易于操作;(3)制备得到的AZTS同质结电池,在半导体领域等

方面的发展具有十分重要的科学意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用

的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本

领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其它

的附图。其中:

图1是本发明中的制备Ag2ZnSnS4同质结薄膜电池的方法在一个实施例中的流程

图;

图2为本发明中的制备Ag2ZnSnS4同质结薄膜电池的方法所制备的Ag2ZnSnS4同质

结薄膜电池在一个实施例中的结构示意图;

图3为本发明中的制备Ag2ZnSnS4同质结薄膜电池的方法所制备的Ag2ZnSnS4同质

结薄膜的XRD图;

图4为本发明中的制备Ag2ZnSnS4同质结薄膜电池的方法所制备的Ag2ZnSnS4同质

结薄膜的SEM图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实

施方式对本发明作进一步详细的说明。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中

的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一

个实施例,也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

请参阅图1,图1为本发明中的制备Ag2ZnSnS4同质结薄膜电池的方法100在一个实

施例中的流程图。如图1所示,所述制备方法100包括如下步骤。

步骤110,提供SLG衬底。

具体的,对SLG玻璃依次用泡沫水,丙酮,乙醇和去离子水分别超生清洗30分钟,并

用氮气吹干。

步骤120,在所述SLG衬底上磁控溅射Mo靶材形成Mo电极层。

在一个实施例中,将清洗干净的SLG衬底放入溅射腔体,采用磁控溅射单靶沉积方

法,溅射靶材为Mo靶材,工作气体为99.999%浓度的氩气,工作气压为0.7pa,功率为90W制

得厚度为600nm的Mo电极层。

步骤130,在所述具有Mo电极层的SLG衬底上依次溅射SnS、ZnS、Ag三种靶材,形成

叠层AZT前驱体结构。

在一个实施例中,采用SnS,ZnS,Ag三种靶材按照顺序叠层溅射,将具有所述Mo电

极层的SLG衬底放入溅射腔体,工作气体为99.999%浓度的氩气,工作压强为0.7Pa,SnS、

ZnS、Ag三种靶材的功率分别为60W,90W,60W,溅射时间分别为80、75、15分钟,形成厚度为

600nm的叠层AZT前驱体结构。

步骤140,在所述叠层AZT前驱体结构上共同溅射SnS、ZnS、Ag三种靶材,形成AZT前

躯体薄膜。

在一个实施例中,改变溅射功率调节元素比例,采用磁控溅射多靶共沉积方法,用

SnS、ZnS、Ag三种靶材进行共溅,工作气体为99.999%浓度的氩气,工作压强为0.7Pa,SnS、

ZnS、Ag三种靶材的功率分别为36W,90W,10W,溅射时间为5min,形成厚度为300nm的AZT前躯

体薄膜。

步骤150,将所述AZT前躯体薄膜硫化退火,形成AZTS半导体薄膜。

具体的,将具有AZT前躯体薄膜的SLG衬底放入有H2S气氛的高温管式炉中,硫化退

火温度为500℃,保持120min。

步骤160,在所述AZTS半导体薄膜上溅射形成本征ZnO层。

在一个实施例中,采用磁控溅射单靶沉积方法将具有AZTS半导体薄膜的SLG衬底

放入磁控溅射腔体,加热至80℃,以99.999%浓度的氩气作为工作气体,工作压强为0.7Pa,

功率为60W,溅射25分钟形成本征ZnO层。

步骤170,在所述本征ZnO层上溅射形成ITO层。

在一个实施例中,采用磁控溅射单靶沉积方法将具有本征ZnO层的SLG衬底加热至

200℃,工作气体为99.999%浓度的氩气,反应气体为99.999%浓度的氧气,所述氩气与氧

气流量比为100:1,工作压强为0.7Pa,功率为80W,溅射45min,形成ITO层。

步骤180,在ITO层上蒸发制备银电极层,形成Ag2ZnSnS4同质结薄膜电池。

将具有所述ITO层的SLG衬底放入高真空蒸发腔室,蒸发制备厚度为150nm的银电

极层。

通过上述方法所制备的Ag2ZnSnS4同质结薄膜电池的结构请参阅图2,图2为本发明

中的制备Ag2ZnSnS4同质结薄膜电池的方法所制备的Ag2ZnSnS4同质结薄膜电池在一个实施

例中的结构示意图。

下面结合一种制备Ag2ZnSnS4同质结薄膜电池的方法介绍一个能够充分体现本发

明内容的实施例:

实施例一

Mo电极的沉积:衬底选用SLG玻璃,经泡沫水,丙酮,乙醇,去离子水的超声波清洗,

烘干;Mo电极的溅射采用普通磁控溅射法,在SLG玻璃表面溅射600nm的Mo电极;

AZT前躯体薄膜的沉积:高真空三靶磁控溅射镀膜仪上进行AZT前躯体薄膜制备,

在已经制备得到Mo电极的SLG玻璃上按照SnS、ZnS、Ag的顺序溅射,衬底不加热,衬底转速为

20r/min;在叠层AZT前驱体上,再用SnS、ZnS、Ag三靶同时溅射5min。

AZTS同质结薄膜的制备:制备过程需要高温退火,将AZT前躯体放入石墨盒中,再

将石墨盒推入管式炉中心区域,流量为20sccm的H2S气体通入管式炉。炉温以20℃/min的速

度升温至500℃,保持120min,在该温度下使前躯体薄膜与H2S气体充分反应进行硫化。自然

降温,待100℃以下取出,请参阅图3,图3为本发明中的制备Ag2ZnSnS4同质结薄膜电池的方

法所制备的Ag2ZnSnS4同质结薄膜的XRD图。如图3所示,在无Mo电极的SLG玻璃上制备的AZTS

样品利用X射线衍射仪进行XRD测试,纵轴表示衍射峰强度,横轴表示衍射角度,从图3中可

以看出制备的薄膜衍射峰与标准PDF卡片对应,在(112)晶面反射较强,半高宽较窄具有高

度的结晶性,请参阅图4,图4为本发明中的制备Ag2ZnSnS4同质结薄膜电池的方法所制备的

Ag2ZnSnS4同质结薄膜的SEM图。如图4所示,采用场发射扫描电镜观察薄膜的表面形貌,薄膜

表面晶粒较大,结晶性较好。

本征ZnO与ITO的制备:本征ZnO的制备,将硫化退火后Mo电极上的薄膜放入溅射腔

室,基底加热至80℃,制备ZnO薄膜;将基底加热至200℃,通入氧气作为反应气体,溅射ITO

层。

银电极的制备:将溅射完ITO的薄膜放入高真空蒸发腔室,蒸发银电极。

使用太阳光模拟器对制备的电池进行效率测试。

将上述分别用叠层与共溅法制备得到的AZTS薄膜,使用霍尔效应测试其电学性

能,采用磁场5000高斯,温度300K,如表1所示,测试结果表明,叠层法制备的AZTS半导体薄

膜是p型,多数载流子是空穴,载流子浓度为4.35×1015cm-2,载流子迁移率为115.784cm2/

V·s。共溅法制备的AZTS半导体薄膜是n型,载流子浓度为-9.381016cm-2,载流子迁移率为-

4.269111cm2/V·s。



表1

所属领域内的普通技术人员应该能够理解的是,本发明的特点或目的之一在于:

(1)该方法在AZTS内部形成了pn结,从而不需要有毒的CdS作为缓冲层;(2)该方法简单,易

于操作;(3)制备得到的AZTS同质结电池,...

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图1
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