一种柔性铜锑硒太阳能电池光吸收层薄膜的三源共蒸发制备方法 |
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| 申请号 | CN202311777075.6 | 申请日 | 2023-12-22 | 公开(公告)号 | CN117766405A | 公开(公告)日 | 2024-03-26 |
| 申请人 | 合肥工业大学; | 发明人 | 万磊; 焦宇飞; 许光磊; 张子硕; 周儒; 毛小丽; 牛海红; 王欢; 徐进章; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种柔性 铜 锑硒 太阳能 电池 光吸收层 薄膜 的三源共 蒸发 制备方法，利用三源共蒸发沉积工艺在柔性 基板 上制备光吸收层铜锑硒，使得铜锑硒薄膜的制备方法更加简单高效，薄膜的结晶 质量 高、且 太阳能电池 可弯曲。本发明从控制蒸发源 温度 ，衬底温度和蒸发时间出发，调节薄膜厚度与铜、锑、硒比例，通过控制温度曲线，保持第二阶段锑源与硒源的持续蒸发，维持锑和硒的蒸气氛围，从而减少薄膜中锑和硒的流失，使得柔性基板上的铜锑硒薄膜的结晶性更好。本发明在柔性基板上得到结晶性较好的铜锑硒薄膜，并制备出柔性铜锑硒太阳能电池，具有广泛的应用前景。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种柔性铜锑硒太阳能电池光吸收层薄膜的三源共蒸发制备方法，其特征在于包括如下步骤： |
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| 说明书全文 | 一种柔性铜锑硒太阳能电池光吸收层薄膜的三源共蒸发制备方法 技术领域背景技术[0002] 由于人类社会的不断发展，人类对于新能源的需求也不断增加。太阳能因其获取简单、环境友好受到广泛关注，新型太阳能薄膜电池技术也随着发展壮大。柔性铜锑硒(CuSbSe2)太阳能电池作为一种新型太阳能电池具有以下优点：一、毒性低，环境友好且带隙与太阳光谱匹配较好，同时也具备较高的光吸收系数；二、只需要较低的衬底温度即可结晶，实际应用前景广泛；三、原料成本低，具有大规模应用潜力；四、采用柔性材料，使得电池具有较好的柔韧度，可在弯曲或折叠时保持稳定性；五、材质更加轻薄，更加易于携带；六、具有更长的使用寿命与耐候性，可以在恶劣条件下长时间稳定工作。 [0003] 当前环境下，对于铜锑硒薄膜的制备方法，并没有太多的文献进行报道。铜锑硒(CuSbSe2)属于多元化合物半导体，在制备过程中较易生成其他化学计量比的化合物，如Cu3SbSe4、Cu3SbSe3等，这将影响铜锑硒薄膜的物相纯度。现阶段，铜锑硒薄膜的制备方法主要有溶液旋涂法、电化学沉积法、磁控溅射等方法。其中化学溶液法虽然制备方法简单、成本低，但极易引入杂质于薄膜中，且与真空镀膜生产线兼容性不高，因此不适合规模化生产。而磁控溅射存在原料靶材生产工艺复杂、造价昂贵等问题，也不适合工业生产。另一方面，传统的玻璃基板薄膜太阳能电池，由于玻璃易碎、重量大等问题，不能充分发挥薄膜太阳能电池易于弯曲、重量轻的优势。 [0004] 为了解决以上问题，本发明采用共蒸发方式制备柔性铜锑硒薄膜。通过三源共蒸发制备铜锑硒薄膜不仅可以显著提高薄膜结晶质量，同时其生产过程简单，一次成膜，生产效率高。同时，采用超薄柔性基板，可弯曲，重量轻，能充分发挥薄膜太阳能电池的优势。 发明内容[0005] 本发明提供了一种柔性铜锑硒太阳能电池光吸收层薄膜的三源共蒸发制备方法，旨在提高铜锑硒薄膜结晶质量、降低制备成本，并充分发挥薄膜太阳能电池重量轻、可弯曲的优势。 [0006] 本发明柔性铜锑硒太阳能电池光吸收层薄膜的三源共蒸发制备方法，包括如下步骤： [0007] 步骤1：在多源共蒸发设备衬底处放置镀钼柔性衬底，降低设备内部腔体气压至1‑4×10 Pa，对铜束炉源、硒束炉源、锑束炉源和衬底进行加热； [0008] 步骤2：加热铜的束炉源，目标温度设置为1175℃；自铜的束炉源开始加热起计时，10分钟时开始加热锑的束炉源与衬底，目标温度分别设置为570℃和230℃，35分钟时开始加热硒的束炉源，目标温度设置为200℃；达到目标温度后，打开束炉源挡板，启动衬底旋转，保持25分钟； [0009] 步骤2中，衬底于35分钟时升至目标温度，铜、锑和硒的束炉源于40分钟时同时升至目标温度。 [0010] 步骤3：关闭铜的束炉源挡板，停止蒸发铜源使其逐渐降至室温，同时降低锑束炉源温度至500℃并升高衬底温度至350℃，继续蒸发锑源保持10分钟，并以200℃继续蒸发硒源，时间为20分钟； [0011] 步骤3中，降低锑束炉源温度并升高衬底温度，10分钟达到设定温度。 [0012] 步骤4：蒸发镀膜结束后，关闭硒束炉源、锑束炉源挡板和衬底挡板使其逐渐降至室温，柔性衬底表面形成铜锑硒薄膜。 [0014] 本发明采用铜、硒、锑三源进行热蒸发镀膜。铜源蒸发完毕后，硒源温度保持不变，锑源降低温度，衬底升高温度继续保持蒸发。 [0015] 本发明使用多源热蒸发系统进行铜锑硒薄膜的制备，该系统精度较高，通过对蒸发温度和时间的准确控制从而精准调控薄膜中铜、锑、硒的原子比，得到物相纯度较高的薄膜。同时，超高真空镀膜环境可极大降低杂质含量。本发明采用三源共蒸发制备铜锑硒薄膜，制备工艺简单，制备成本降低，铜锑硒薄膜由三源单质直接通过化学反应在镀钼柔性衬底表面生成，反应过程简单直接，结晶纯度得到进一步保障。 [0016] 电池采用镀钼柔性衬底，具有更好的柔韧性，电池即使在弯曲情况下依旧可以正常工作，极大提高了电池的使用寿命与适用范围，应用前景更加宽广。 [0017] 本发明采用多源共蒸发的方法制备铜锑硒薄膜，制备工艺简单，一次成膜，生产效率高，具有很强的实用性，同时在超高真空环境下采用三源单质直接沉积镀膜，进一步提高了薄膜的结晶质量。铜锑硒太阳能电池采用镀钼柔性基板作为衬底，具有更好的柔韧性，电池即使在弯曲情况下依旧可以正常工作，极大提高了电池的使用寿命与适用范围。本方法因以上优点在实际生活中具有广阔的应用前景。附图说明 [0018] 图1是实施例1共蒸发温度曲线。 [0019] 图2是实施例2共蒸发温度曲线。 [0020] 图3是实施例3共蒸发温度曲线。 [0021] 图4是实施例4共蒸发温度曲线。 [0022] 图5是实施例1共蒸发温度曲线。 具体实施方式[0023] 实施例1： [0025] 2、加热铜的束炉源至1175℃，10分钟时开始加热锑的束炉源与衬底分别至570℃和230℃，35分钟时开始加热硒的束炉源至200℃，让衬底于35分钟时升至目标温度，铜、锑和硒束炉源于40分钟时同时升至目标温度。打开束炉源挡板，启动衬底旋转，保持25分钟。 [0026] 3、关闭铜的束炉源的挡板，停止蒸发铜源使其逐渐降至室温，同时降低锑束炉源温度升高衬底温度10分钟分别至500℃和350℃继续蒸发锑源保持10分钟，并以200℃继续蒸发硒源，时间为20分钟。 [0027] 4、蒸发镀膜结束后，关闭硒束炉源，锑束炉源挡板和衬底挡板使其逐渐降至室温，镀钼柔性衬底表面形成铜锑硒薄膜。 [0028] 实施例2：对比实施例1，提高第二步中衬底的温度 [0029] 1、在多源共蒸发设备衬底处放置镀钼柔性衬底，采用机械泵和分子泵抽真空至1‑4×10 Pa，对铜、硒、锑束炉源和衬底进行加热。 [0030] 2、加热铜的束炉源至1175℃，10分钟时开始加热锑的束炉源与衬底分别至570℃和230℃，35分钟时开始加热硒的束炉源至200℃，让衬底于35分钟时升至目标温度，铜、锑和硒束炉源于40分钟时同时升至目标温度。打开束炉源挡板，启动衬底旋转，保持25分钟。 [0031] 3、关闭铜的束炉源的挡板，停止蒸发铜源使其逐渐降至室温，同时降低锑束炉源温度升高衬底温度10分钟分别至500℃和380℃继续蒸发锑源保持10分钟，并以200℃继续蒸发硒源，时间为20分钟。 [0032] 4、蒸发镀膜结束后，关闭硒束炉源，锑束炉源挡板和衬底挡板使其逐渐降至室温，镀钼柔性衬底表面形成铜锑硒薄膜。 [0033] 实施例3：对比实施例1，降低第二步中衬底的温度 [0034] 1、在多源共蒸发设备衬底处放置镀钼柔性衬底，采用机械泵和分子泵抽真空至1‑4×10 Pa，对铜、硒、锑束炉源和衬底进行加热。 [0035] 2、加热铜的束炉源至1175℃，10分钟时开始加热锑的束炉源与衬底分别至570℃和230℃，35分钟时开始加热硒的束炉源至200℃，让衬底于35分钟时升至目标温度，铜、锑和硒束炉源于40分钟时同时升至目标温度。打开束炉源挡板，启动衬底旋转，保持25分钟。 [0036] 3、关闭铜的束炉源的挡板，停止蒸发铜源使其逐渐降至室温，同时降低锑束炉源温度升高衬底温度10分钟分别至500℃和320℃继续蒸发锑源保持10分钟，并以200℃继续蒸发硒源，时间为20分钟。 [0037] 4、蒸发镀膜结束后，关闭硒束炉源，锑束炉源挡板和衬底挡板使其逐渐降至室温，镀钼柔性衬底表面形成铜锑硒薄膜。 [0038] 实施例4：对比实施例1，提高铜源的蒸发温度 [0039] 1、在多源共蒸发设备衬底处放置镀钼柔性衬底，采用机械泵和分子泵抽真空至1‑4×10 Pa，对铜、硒、锑束炉源和衬底进行加热。 [0040] 2、加热铜的束炉源至1205℃，10分钟时开始加热锑的束炉源与衬底分别至570℃和230℃，35分钟时开始加热硒的束炉源至200℃，让衬底于35分钟时升至目标温度，铜、锑和硒束炉源于40分钟时同时升至目标温度。打开束炉源挡板，启动衬底旋转，保持25分钟。 [0041] 3、关闭铜的束炉源的挡板，停止蒸发铜源使其逐渐降至室温，同时降低锑束炉源温度升高衬底温度10分钟分别至500℃和350℃继续蒸发锑源保持10分钟，并以200℃继续蒸发硒源，时间为20分钟。 [0042] 4、蒸发镀膜结束后，关闭硒束炉源，锑束炉源挡板和衬底挡板使其逐渐降至室温，镀钼柔性衬底表面形成铜锑硒薄膜。 [0043] 实施例5：对比实施例1，提高锑源的蒸发温度 [0044] 1、在多源共蒸发设备衬底处放置镀钼柔性衬底，采用机械泵和分子泵抽真空至1‑4×10 Pa，对铜、硒、锑束炉源和衬底进行加热。 [0045] 2、加热铜的束炉源至1175℃，10分钟时开始加热锑的束炉源与衬底分别至600℃和230℃，35分钟时开始加热硒的束炉源至200℃，让衬底于35分钟时升至目标温度，铜、锑和硒束炉源于40分钟时同时升至目标温度。打开束炉源挡板，启动衬底旋转，保持25分钟。 [0046] 3、关闭铜的束炉源的挡板，停止蒸发铜源使其逐渐降至室温，同时降低锑束炉源温度升高衬底温度10分钟分别至500℃和350℃继续蒸发锑源保持10分钟，并以200℃继续蒸发硒源，时间为20分钟。 [0047] 4、蒸发镀膜结束后，关闭硒束炉源，锑束炉源挡板和衬底挡板使其逐渐降至室温，镀钼柔性衬底表面形成铜锑硒薄膜。 [0048] 实施例6：铜锑硒柔性薄膜太阳能电池制备 [0049] 本申请的铜锑硒柔性薄膜太阳能电池的器件结构为：柔性基板 [0050] /Mo/CuSbSe2/CdS/ZnO:Al/Ag。首先在洗净吹干的柔性基板上用磁控溅射沉积钼(Mo)背电极层，然后用本申请的三源共蒸发法制备铜锑硒(CuSbSe2)光吸收层，之后用化学水浴法制备硫化镉(CdS)缓冲层，再用磁控溅射沉积掺铝氧化锌(ZnO:Al)透明导电窗口层，最后加模板蒸镀一层银(Ag)电极。 [0051] 总结： [0052] 图1为实施例1共蒸发制备工艺的升温曲线，其中蒸镀过程为铜源先蒸发，锑源在10分钟开始蒸发，同时衬底开始加热，硒源在35分钟时开始蒸发，四者在同一时刻升至目标温度；保持各自目标温度25分钟后，铜源开始自然降温。硒源温度保持不变继续蒸发20分钟。锑源降温10分钟，衬底升温10分钟达到各种第二阶段目标温度并保持10分钟。按实施例 6制备铜锑硒柔性薄膜太阳能电池，测得电池光电转换效率为1.2％，是最优方案。图2为实施例2共蒸发制备工艺的升温曲线，相比于实施例1提高第二步中衬底的温度。由于衬底温度升高，导致部分铜锑硒分解为硒化锑和硒化亚铜，薄膜纯净度下降，效率降低。按实施例6制备铜锑硒柔性薄膜太阳能电池，测得效率为0.5％。图3为实施例3共蒸发制备工艺的升温曲线，相比于实施例1降低第二步中衬底的温度。由于衬底温度降低，导致铜锑硒结晶性下降，效率降低。最后测得效率为0.6％。图4为实施例4共蒸发制备工艺的升温曲线，相比于实施例1提高了铜源的蒸发温度.导致薄膜中富铜，效率降低。最后测得效率为0.1％。图5为实施例5共蒸发制备工艺的升温曲线，相比于实施例1提高了锑源的蒸发温度，导致薄膜中富锑，效率降低，为0.2％。 |
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