本发明专利技术提供了一种铜锌锡硫硒薄膜制备中的掺杂工艺，属于太阳能电池技术领域，该工艺可有效地掺杂第五主族元素，且掺杂梯度可控、掺杂比例可调、掺杂效应显著。其步骤包括：步骤一：通过应用薄膜沉积工艺，制备铜锌锡硫硒薄膜；步骤二：根据制备铜锌锡硫硒薄膜时选择的工艺和需掺杂元素的特点，通过掺杂工艺实现这一元素在铜锌锡硫硒薄膜中的掺杂；步骤三：对所得薄膜施以热处理工艺,最终完成第五主族元素在铜锌锡硫硒薄膜中掺杂效应的激活。本发明专利技术实现了对铜锌锡硫硒薄膜结晶性能、光电特性、电学特性的改进优化，在低成本高效薄膜太阳能电池的制备中具有广泛的运用前景。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及太阳能电池
，具体是指一种铜锌锡硫硒薄膜制备中的掺杂工艺。
技术介绍
锌黄锡矿结构的四元化合物铜锌锡硫硒，是直接带隙半导体，其禁带宽度与太阳能电池所要求的最佳禁带宽度(1.5 eV)十分接近，吸收系数大(IO4 Cm—1量级)，组分元素在地壳上蕴含量丰富、开采难度低、对环境无毒害污染、年产量巨大。基于铜锌锡硫硒的太阳能电池有可能在未来成为主流光伏技术。经对现有技术文献检索发现，在与铜锌锡硫硒相似的铜铟镓硒类材料中，通过元素掺杂改善吸收层薄膜的应用已经越来越引起业界的关注，例如CN102347398A公开的一种大规模CIGS基薄膜光伏材料的钠溅射掺杂方法。Min Yuan等在《Thin Solid Film》2010 年第 519 卷(第二期)第 852 至 856 页发表的“Antimony assisted low-temperatureprocessing of CuIrvxGaxSe2_ySy solar cells”中，报道了通过第五主族兀素铺的掺杂可大幅提升所制备的铜铟镓硒太阳能电池的性能。不同的掺杂工艺，在不同的铜锌锡硫硒薄膜制备工艺中的应用效果不同，因此，全面的探索各种可能的掺杂工艺，并将掺杂工艺应用于太阳能电池
，对于本领域具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种铜锌锡硫硒薄膜制备中的掺杂工艺，具体为在铜锌锡硫硒薄膜中有效地掺杂第五主族元素的工艺，该种掺杂工艺掺杂梯度可控、掺杂比例可调、掺杂效应显著。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包含以下步骤: 步骤一:通过应用薄膜沉积工艺，制备铜锌锡硫硒薄膜；所述的薄膜沉积工艺，包括元素蒸镀工艺、化合物蒸镀工艺、元素反应溅射硫化工艺、化合物溅射硫化工艺、纳米颗粒工艺和电镀工艺等。步骤二:根据制备铜锌锡硫硒薄膜时选择的工艺和需掺杂元素的特点，通过掺杂工艺实现这一元素在铜锌锡硫硒薄膜中的掺杂；所述的掺杂工艺包括化学水浴沉积工艺、电镀沉积薄膜工艺、离子注入工艺以及反应物及原料掺杂工艺等。步骤三:对所得薄膜施以热处理工艺，最终完成第五主族元素在铜锌锡硫硒薄膜中惨杂效应的激活。本专利技术的技术方案在实施过程中，为了得到特殊掺杂分布梯度的薄膜，步骤二中掺杂沉积层的制备可以在铜锌锡硫硒薄膜沉积前实施。本专利技术具有以下突出的有益效果:本专利技术提出的铜锌锡硫硒薄膜制备中的掺杂工艺，非常有利于提升各种第五主族元素在不同沉积工艺制备的铜锌锡硫硒薄膜中的掺杂效应，而且实现了对铜锌锡硫硒薄膜结晶性能、光电特性、电学特性的改进优化，在低成本高效薄膜太阳能电池的制备中具有广泛的运用前景。附图说明下面结合附图，对本专利技术作进一步说明。图1为本专利技术所述掺杂工艺的流程图。图2为本专利技术所述掺杂工艺在铜锌锡硫硒薄膜制备中的一个较佳应用实例效果展示。具体实施例方式本专利技术的技术方案流程图如图1所示，具体的，可分为铜锌锡硫硒薄膜的制备、掺杂元素的引入、热处理三个主要步骤。依据上述三个主要步骤实施顺序的不同，现分三种类型介绍具体实施方案。类型一:首先通过薄膜沉积工艺，可选工艺包括元素蒸镀工艺、化合物蒸镀工艺、元素反应溅射硫化工艺、化合物溅射硫化工艺、纳米颗粒工艺或电镀工艺等手段制备铜锌锡硫硒薄膜，之后通过化学水浴沉积工艺、电镀沉积薄膜工艺或离子注入工艺完成对第五主族元素的掺杂，再通过热处理，完成整个工艺过程。类型二:首先通过化学水浴沉积工艺或电镀沉积薄膜工艺完成掺杂层薄膜的沉积，之后通过制备铜锌锡硫硒薄膜的工艺完成铜锌锡硫硒薄膜的制备，可选工艺包括元素蒸镀工艺、化合物蒸镀工艺、元素反应溅射硫化工艺、化合物溅射硫化工艺、纳米颗粒工艺或电镀工艺等，再通过热处理，完成整个工艺过程。类型三:在通过元素蒸镀工艺、化合物蒸镀工艺、元素反应溅射硫化工艺、化合物溅射硫化工艺、纳米颗粒工艺或电镀工艺等可选工艺制备铜锌锡硫硒薄膜时，通过研磨混合、使用掺杂靶材、在化学湿法体系中加入掺杂元素前驱等方式，在其源材料中掺入第五主族的目标元素，这样在制备的铜锌锡硫硒薄膜中即可实现第五主族元素的掺杂。下面分别详细描述化学水浴沉积工艺、电镀沉积薄膜工艺、离子注入工艺以及反应物及原料掺杂工艺四种掺杂工艺。化学水浴沉积工艺掺杂第五主族元素的工艺过程如下:配制浓度为1.15 mol/L的硫代硫酸钠水溶液，标记为A液，配制浓度为5 mol/L的氯化锑丙酮溶液，标记为B液，301:下(水浴控温)，将B液缓慢滴加至A液中，并伴随轻柔搅拌，A、B液体混合完成后，将基片置入混合液体中，2.5 h后完成掺杂元素硫化物薄膜的沉积；此工艺过程同样适用于以氯化铋或氯化砷为原料沉积其硫化物薄膜；此过程可在铜锌锡硫硒薄膜沉积于基底之前进行，也可在完成铜锌锡硫硒薄膜的沉积后进行，以实现掺杂元素的铜锌锡硫硒薄膜中分布梯度的差异化调控。电镀沉积薄膜工艺掺杂第五主族元素的工艺过程如下:首先配置含有目标掺杂元素的电解液，水作为溶剂，其配方如下:酒石酸(0.1 mol/L)、柠檬酸钠(0.2 mol/L)、硫代硫酸钠(Na2S2O3,0.11 mol/L)、氯化锑或氯化铋(SbCl3 or BiCl3,0.6 mol/L);之后应用此电解液在1.1 V电位下沉积氯化锑或氯化铋薄膜；此过程可在铜锌锡硫硒薄膜沉积于基底之前进行，也可在完成了铜锌锡硫硒薄膜的沉积后进行，以实现掺杂元素的铜锌锡硫硒薄膜中分布梯度的差异化调控。离子注入工艺掺杂第五主族元素的工艺过程如下:离子注入工艺主要适用于磷元素、砷元素和锑元素的掺杂，应用微电子制造工艺中的离子注入机实现上述元素在已制备的铜锌锡硫硒薄膜中的掺杂，对应磷、砷、锑的杂志源分别为磷烷(PH3)、砷烷(AsH3)、五氯化锑(SbCl5 )。原料掺杂工艺的过程如下:在各种制备铜锌锡硫硒薄膜工艺使用的原料中，混入目标掺杂元素，进而在制备薄膜过程中实现第五主族元素在其中的掺杂，具体可描述如下:1)在元素蒸镀工艺和化合物蒸镀工艺中，通过在原料中混入目标掺杂比例的砷、锑、铋的金属单质或硫化物，研磨处理使其混合均匀，完成这类工艺的原料中第五主族元素的掺杂；2)元素反应溅射硫化工艺、化合物溅射硫化工艺中，在制作靶材时，在其中掺杂目标比例的砷、锑、铋元素，实现溅射工艺中的原料掺杂；3)纳米颗粒工艺中，在合成铜锌锡硫硒的纳米颗粒时，在反应体系中混入第五主族元素的反应前驱物，使其参与合成反应，即可实现在纳米颗粒法制备铜锌锡硫硒薄膜的原料中第五主族元素的掺杂，其掺杂比例可通过加入的第五主族元素反应前驱的比例控制；4)使用电镀工艺制备铜锌锡硫硒薄膜时，在电解液中添加含有第五主族元素的成分，并调整电位至适当数值，即可实现掺杂元素与铜锌锡硫硒的电镀共沉积，完成第五主族元素在电镀工艺中的掺杂。图2是本专利技术的一个较佳实施例，在应用化合物反应溅射硫化工艺制备铜锌锡硫硒薄膜的过程中，在溅射完毕后，通过化学水浴沉积在其上沉积硫化锑薄膜及热处理工艺后，大幅改善了铜锌锡硫硒薄膜的结晶性能，SOOl为应用本专利技术掺杂工艺的实施例效果展示，S002为未应用本专利技术的对照效果展示。尽管本专利技术参照优选工艺方案、说明书附图和较佳实施例进行了详细的说明，对本领域的技术人员来说，本专利技术的各种用途和变形可以不偏离本专利技术的实质与范围而完成。因此，在此详本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种铜锌锡硫硒薄膜制备中的掺杂工艺，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：通过应用薄膜沉积工艺，制备铜锌锡硫硒薄膜；所述铜锌锡硫硒薄膜制备工艺包括元素蒸镀工艺、化合物蒸镀工艺、元素反应溅射硫化工艺、化合物溅射硫化工艺、纳米颗粒工艺、电镀工艺；步骤二：根据制备铜锌锡硫硒薄膜时选择的工艺和需掺杂元素的特点，通过掺杂工艺实现这一元素在铜锌锡硫硒薄膜中的掺杂；所述的掺杂工艺包括化学水浴沉积工艺、电镀沉积薄膜工艺、离子注入工艺、反应物及原料掺杂工艺；步骤三：对所得薄膜施以热处理工艺,最终完成第五主族元素在铜锌锡硫硒薄膜中掺杂效应的激活。
【技术特征摘要】
1.一种铜锌锡硫硒薄膜制备中的掺杂工艺，其特征在于:包括以下步骤: 步骤一:通过应用薄膜沉积工艺，制备铜锌锡硫硒薄膜；所述铜锌锡硫硒薄膜制备工艺包括元素蒸镀工艺、化合物蒸镀工艺、元素反应溅射硫化工艺、化合物溅射硫化工艺、纳米颗粒工艺、电镀工艺； 步骤二:根据制备铜锌锡硫硒薄膜时选择的工艺和需掺杂元素的特点，通过掺杂工艺实现这一元素在铜锌锡硫硒薄膜中的掺杂；所述的掺杂工艺包括化学水浴沉积工艺、电镀沉积薄膜工艺、离子注入工艺、反应物及原料掺杂工艺； 步骤三:对所得薄膜施以热处理工艺，最终完成第五主族元素在铜锌锡硫硒薄膜中掺杂效应的激活。2.根据权利要求1所述的一种铜锌锡硫硒薄膜制备中的掺杂工艺，其特征在于:所述元素蒸镀工艺、化合物蒸镀工艺、元素反应溅射工艺和化合物反应溅射工艺，应用真空蒸镀设备，以铜、锌、锡、硫、硒元素单质的固体材料或其化合物的固体材料为原料，通过真空蒸镀、溅射镀膜等物理气象沉积工艺制备铜锌锡硫硒薄膜的工艺。3.根据权利要求1所述的一种铜锌锡硫硒薄膜制备中的掺杂工艺，其特征在于:所述纳米颗粒工艺包含铜锌锡硫硒的纳米颗粒制备、铜锌锡硫硒纳米墨水的配制、基于纳米油墨的薄膜沉积工艺成膜、退火热处理等工艺过程；所述的电镀工艺包括铜、锌、锡的叠层金属预制层电镀沉积、叠层金属预制层的硫化或硒化热处理工艺过程。4.根据权利要求1所述的一种铜锌锡硫硒薄膜制备中的掺杂工艺，其特征在于:所述的化学水浴沉积掺杂工艺和电镀沉积薄膜工艺，在铜锌锡硫硒薄膜上表面或下表面，通过化学水浴...
【专利技术属性】
技术研发人员：向勇，张晓琨，张庶，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：
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