一种铁电增强的铜基薄膜太阳电池无镉缓冲层掺氢锌锡氧的制备方法及其应用技术

本发明专利技术涉及一种铁电增强的铜基薄膜太阳电池无镉缓冲层掺氢锌锡氧的制备方法及其应用。将氧化锌靶材和二氧化锡靶材装入磁控溅射腔体，采用双靶共溅射法沉积掺氢锌锡氧(ZTO:H)薄膜，沉积ZTO:H时SnO2与ZnO之间的功率关系为：SnO2的功率应该不低于ZnO功率的50％；使用氩气和氢氩混合气作为溅射气氛。本发明专利技术有效解决了铜基薄膜太阳电池吸光层与缓冲层能带匹配较差的问题。掺氢锌锡氧(ZTO:H)薄膜有效替代CdS缓冲层，具有禁带宽度宽3.1～3.7eV、透光性好、导电率高等优势。制备方法简单且可以进行大规模批量生产，直接利用器件性能验证薄膜材料性能调控效果，为相关电池的新型功能层材料开发探明方向。料开发探明方向。料开发探明方向。

【技术实现步骤摘要】
一种铁电增强的铜基薄膜太阳电池无镉缓冲层掺氢锌锡氧的制备方法及其应用


[0001]本专利技术属于光电子器件技术应用领域，尤其涉及一种铁电增强的铜基薄膜太阳电池无镉缓冲层掺氢锌锡氧(ZTO:H)的制备方法及其应用

技术介绍

[0002]铜基化合物太阳电池主要包括铜铟镓硒(CIGS)、铜锌锡硫硒(CZTSSe)等，其中铜锌锡硫硒太阳电池又分为铜锌锡硫(CZTS)太阳电池和铜锌锡硒(CZTSe)太阳电池以及铜锌锡硫硒(CZTSSe)太阳电池，它们主要采用硫化镉(CdS)作为缓冲层，而镉(Cd)元素的毒性对大规模应用该类太阳电池提出了很多限制条件，比如生产过程中的防护和废弃物排放等安全环保要求以及产品使用及回收环节的安全性要求等。因此无镉化是铜基化合物薄膜太阳电池的重要发展方向。
[0003]目前的铜基太阳电池的基本结构包括:衬底、背电极、光吸收层、缓冲层、窗口层、顶电极。现有铜基化合物太阳电池主要采用硫化镉(CdS)和氧化锌(ZnO)作为电池的缓冲层，而目前硫化镉与光吸收层之间的异质结界面接触是影响电池性能的一个主要原因。其中异质结界面是指两种不同材料的交界处形成的界面，在铜基薄膜太阳电池中，异质结界面是指由两种不同的半导体材料组成的电池结构，铜锌锡硫硒(CZTSSe)光吸收层与CdS缓冲层之间的界面就是一个异质结界面。在异质结界面处，由于铜锌锡硫硒(CZTSSe)与CdS的能带结构不同会形成一个电场，这会导致电荷在界面处发生重组，这种重组会产生光生电荷，从而产生电流，因此，异质结界面是太阳电池中非常重要的部分，它直接影响太阳电池的性能。
[0004]鉴于异质结界面是影响电池开路电压及效率的主要因素。因此，开发与吸收层能带匹配的缓冲层，并通过其性能调控实现异质结空间电荷区深度分布优化及其低界面缺陷密度是获得具有高开路电压的高效电池的重要方法。承袭自铜铟镓硒(CIGS)的CdS缓冲层与铜锌锡硫硒(CZTSSe)的界面能带匹配并非最佳，并且其较窄的带隙宽度(2.4eV)影响了太阳电池对短波段太阳光(500nm以下波长)的吸收利用。因此需要探索禁带宽度较宽一点的使得更多的短波光可以穿透缓冲层从而进入吸收层。为了解决该问题，其它多种n型缓冲层材料，如In2S3、Zn
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Sn1‑
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O
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等也被用作CZTSSe电池的缓冲层进行研究，但由于In元素稀缺，Zn
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Sn1‑
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O
y
采用原子层沉积制备不利于大规模生产，都会进一步阻碍其大规模生产应用。

技术实现思路

[0005]相较于原子层沉积(ALD)方法，磁控溅射法具有灵活调节掺杂材料、沉积速率快、易于大规模化生产的优势。本专利技术提供一种铁电增强的铜基太阳电池无镉缓冲层掺氢锌锡氧(ZTO:H)的制备方法及其应用。
[0006]本专利技术的具体技术方案如下：
[0007]一种铁电增强的铜基太阳电池无镉缓冲层掺氢锌锡氧的制备方法，将氧化锌
(ZnO)靶材和二氧化锡(SnO2)靶材装入磁控溅射腔体，采用双靶共溅射法沉积掺氢锌锡氧(ZTO:H)薄膜，溅射条件包括：腔体真空度为5.0
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‑4～2.0
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‑3Pa，衬底与靶材间距为60～140mm，衬底温度为25～200℃，溅射功率密度为1.8～3.6W/cm2,溅射气压为0.2～0.8Pa，衬底转速为5～10r/min；沉积ZTO:H时SnO2与ZnO之间的功率关系为：SnO2的功率应该不低于ZnO功率的50％；使用氩气和氢氩混合气作为溅射气氛。
[0008]所述的沉积ZTO:H时SnO2与ZnO之间的功率关系为：SnO2的功率应该不低于ZnO功率的50％，大约为ZnO功率的60％～80％附近，例如当选用ZnO的溅射功率为100W时，SnO2的功率应该不低于50W，大约在60W～80W。
[0009]为保证ZTO:H薄膜以及应用于器件中保证高性能，一般采用ZnO的溅射功率为50～100W，根据权利要求2中SnO2与ZnO之间的功率关系，相应的SnO2的溅射功率在30～80W之间，其掺氢锌锡氧(ZTO:H)薄膜中Sn/(Sn+Zn)原子比在0.15～0.3之间。
[0010]所述的铁电增强的铜基太阳电池无镉缓冲层掺氢锌锡氧(ZTO:H)的制备方法，使用高纯氩气和高纯氢氩混合气作为溅射气氛，通过调节氢氩混合气和氩气的流量比实现对氢气体积百分比的控制，溅射过程中高纯氢氩混合气流量设定为1～9sccm，高纯氩气流量设定为1～9sccm，高纯氩气+高纯氢氩气混合气的总气流量控制在10sccm。例如当高纯氢氩混合气流量设定为1sccm，则高纯氩气流量设定9sccm。
[0011]本专利技术溅射过程中腔室内所采用的氢气含量的最佳掺杂体积比范围为0.7％～7％，即H2/H2+Ar的体积百分比为0.7％～7％。
[0012]本专利技术所提供的掺氢锌锡氧(ZTO:H)薄膜的禁带宽度可以通过调节SnO2/ZnO靶材的溅射功率比来进行调控，可以获得3.1～3.7eV之间所需的任意禁带宽度，即可以实现掺氢锌锡氧(ZTO:H)薄膜禁带宽度可调以便在应用中根据具体情况调节制备参数。
[0013]本专利技术的铁电增强的铜基太阳电池无镉缓冲层掺氢锌锡氧(ZTO:H)无镉缓冲层锌锡氧薄膜主要应用于太阳电池器件的光吸收层之上。
[0014]本专利技术中铜基薄膜太阳电池的基本结构从下到上依次为Glass/Mo衬底/光吸收层/ZTO:H/Al:ZnO窗口层/Ni/Al顶电极。
[0015]掺氢锌锡氧(ZTO:H)应用于铜基薄膜太阳电池光吸收层上作为缓冲层的最佳溅射沉积厚度为8～15nm。
[0016]本专利技术方法制备的铁电增强的铜基无镉缓冲层掺氢锌锡氧(ZTO:H)薄膜可以应用于PN结光电探测器，其基本结构从下到上依次为衬底、背电极、缓冲层(ZTO:H)、光转换层、顶电极。
[0017]本专利技术中掺氢锌锡氧(ZTO:H)薄膜采用的ZnO材料具有一定的铁电性，铁电性是指某种材料在外电场作用下，会产生极化现象，这种极化现象是由于晶体内部原子或离子的偏移所引起的，使得晶体在外电场存在时，具有一个电偶极矩，即产生了一个极化。应用于在太阳电池中，沿极化的方向可以产生稳定的光伏效应，从而提高太阳电池内部的光生载流子的收集速率，因此太阳电池的短路电流密度也将会有很大的提升，这主要是因为掺氢锌锡氧(ZTO:H)材料可以通过调节Zn/Sn原子比等控制导带底位置实现与太阳电池器件光吸收层更好的能带匹配，从而对异质结界面进行了优化。为避免吸收层损坏并实现器件高性能，沉积功率必须尽可能低，本专利技术在沉积ZTO:H薄膜时SnO2的功率应该不低于ZnO功率的50％，优选为ZnO功率的60％～80％，一般采用ZnO的溅射功率为50～100W，根据权利要求
2中SnO2与ZnO之间的功率关系，相应的SnO2的溅射功率在30～80W之间，其ZTO:H薄膜中Sn/(Sn+Zn本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铁电增强的铜基太阳电池无镉缓冲层掺氢锌锡氧的制备方法，其特征在于：将氧化锌(ZnO)靶材和二氧化锡(SnO2)靶材装入磁控溅射腔体，采用双靶共溅射法沉积掺氢锌锡氧(ZTO:H)薄膜，溅射条件包括：腔体真空度为5.0
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‑3Pa，衬底与靶材间距为60～140mm，衬底温度为25～200℃，溅射功率密度为1.8～3.6W/cm2,溅射气压为0.2～0.8Pa，衬底转速为5～10r/min；沉积ZTO:H时SnO2与ZnO之间的功率关系为：SnO2的功率应该不低于ZnO功率的50％；使用氩气和氢氩混合气作为溅射气氛。2.如权利要求1所述的铁电增强的铜基太阳电池无镉缓冲层掺氢锌锡氧的制备方法，其特征在于：SnO2的功率为ZnO功率的60％～80％。3.如权利要求1或2所述的铁电增强的铜基太阳电池无镉缓冲层掺氢锌锡氧的制备方法，其特征在于：采用ZnO的溅射功率为50～100W，相应的SnO2的溅射功率在30～80W之间，其掺氢锌锡氧(ZTO:H)薄膜中Sn/(Sn+Zn)原子比在0.15～0.3。4.如权利要求1所述的铁电增强的铜基太阳电池无镉缓冲层掺氢锌锡氧的制备方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘慧桢，董家斌，刘越，张生利，张毅，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：