具有梯度带隙结构的锡硫化合物太阳能电池及其制备方法与流程

1.本发明涉及具有梯度带隙结构的锡硫化合物太阳能电池及其制备方法，属于光伏技术领域。


背景技术：

2.锡硫化合物作为无毒且低成本的iv
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vi半导体成员，长期以来一直是研究热点，其在光学、物理和电性能方面具有优异性能。锡硫化合物中性能比较突出的是sns和sns2。
3.sns通常情况下为p型半导体，但当化合物中的锡元素富余时，其导电类型将由p型转化为n型。通过掺杂不同物质也可以改变其导电类型和导电能力。其光学带隙接近于太阳能电池的最佳禁带宽度1.5ev，与太阳辐射中的可见光有很好的光谱匹配。吸收系数α＞104cm
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1，理论上的能量转换效率达到25％。目前，sns的薄膜化比较容易，用作太阳能电池材料耗材小。同时，其组成元素s和sn在地球上的储量丰富，价格低廉，具有很好的环境兼容性，因此在太阳能电池材料方面具有独特的优势，适合用作太阳能电池的光吸收层材料。
4.已有研究表明，有些薄膜电池材料，其中通过控制吸收层中某些元素的含量，可以制备具有元素梯度的吸收层材料，由于元素含量的不同，造成吸收层的带隙结构具有梯度分布，这种梯度带隙结构能够有效提高光生载流子的寿命以及电池的短路电流密度，进而提高电池的光电转换效率，但是目前具有梯度元素分布的带隙结构的太阳能电池主要集中在czts薄膜太阳能电池。而通过对氮掺杂sns薄膜的分析，氮气存在时得到的元素中s/sn的化学计量比存在差别和影响，当氮气存在时得到的薄膜的锡元素存在少量过量，而无氮气存在的条件下得到的化学计量比则是硫过量，但所有薄膜的化学计量比均在其理论值附近。掺杂后的硫化亚锡薄膜含有sno成分，锡氧化物的禁带宽度一般较大，在3.0ev附近，因此，锡氧化物的存在会导致硫化亚锡薄膜的禁带宽度增大，且掺杂后的sns薄膜的电阻降低，吸收系数大于未进行氮掺杂处理的sns薄膜，因此，设计具有梯度带隙结构的锡硫化合物太阳能电池在提高光电转换效率方面具有很大优势，且该掺杂工艺在薄膜制备过程中进行，没有增加额外的工艺步骤，降低生产成本。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种具有梯度带隙结构的锡硫化合物太阳能电池，具有梯度带隙的p
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sns(n)/p
‑
sns吸收层为利用pecvd法制备sns薄膜过程中控制通入氮气的时间和分压条件而获得，由于氮气掺杂量的不同，造成sns(n)薄膜的禁带宽度的不同，该梯度带隙结构能够有效提高光生载流子的寿命以及电池的短路电流密度，进而提高电池的光电转换效率提高光电转化效率。
6.本发明的另一目的在于提供梯度带隙结构的锡硫化合物太阳能电池的制备方法。
7.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
8.一种具有梯度带隙结构的锡硫化合物太阳能电池，其特征在于，包括依次层叠的透明导电基底层、n
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(sns2)层或n
‑
sns2(tio2)层或n
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zno层、具有梯度带隙的p
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sns(n)/p
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sns)吸收层以及背电极层，其中的具有梯度带隙的p
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sns(n)/p
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sns)吸收层为利用pecvd法制备sns薄膜过程中控制通入氮气的时间和分压条件而获得，由于氮气掺杂量的不同，造成p
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sns(n)薄膜的禁带宽度的不同，其中的n
‑
sns2(tio2)层表示在n
‑
sns2表面修饰tio2层；sns(n)表示氮掺杂sns薄膜，p
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sns薄膜为无氮气条件得到的吸收层。其中的分压条件为氮气依次递减条件，带隙宽度梯度范围为1.5
‑
2.2ev。该梯度带隙结构膜层可作为n层与p
‑
sns薄膜之间的过渡层结构，可以降低层间电阻，同时，梯度带隙结构能够有效提高光生载流子的寿命以及电池的短路电流密度，进而提高电池的光电转换效率，且该掺杂工艺在薄膜制备过程中进行，没有增加额外的工艺步骤。
9.一种制备上述吸收层具有梯度带隙结构的锡硫化合物太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
10.在衬底上制备透明导电基底层或直接购买透明导电基底层，并进行清洗；
11.在透明导电基底层上制备n
‑
(sns2)层或n
‑
sns2(tio2)层或n
‑
zno并进行相应的热处理步骤；
12.在步骤(2)中获得薄膜的基础上进行梯度带隙结构的p
‑
sns(n)/p
‑
sns的制备并进行相应的热处理步骤；
13.在步骤(3)制备获得的叠层薄膜的基础上制备背电极结构，得到具有夹层硫化亚锡薄膜吸收层太阳能电池。
14.其中步骤(2)所述的n
‑
(sns2)层可采用pecvd法或者通过凝胶溶胶法旋涂制备；n
‑
sns2(tio2)层中的tio2通过溶胶凝胶法制备后将其旋涂在n
‑
sns2涂层表面。步骤(3)中的具有梯度带隙结构的sns(n)的制备，其是利用pecvd法制备sns薄膜过程中控制通入氮气的时间和分压条件而获得，由于掺杂量的不同，其中的p
‑
sns(n)的带隙宽度不同，其中的分压条件为氮气依次递减条件，分压范围为1/2
‑
0，带隙宽度梯度范围为1.5
‑
2.2ev。
15.在上述电池的制备过程中，根据n
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(sns2)层或n
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sns2(tio2)层或n
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zno层的厚度，可对梯度带隙结构的p
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sns(n)/p
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sns的厚度进行优化选择，同时，通过控制在sns薄膜的制备过程中的不同分压条件下通入不同时间的氮气，可控制薄膜中的氮元素的掺杂量，进而可以控制梯度带隙结构中的各膜层的带隙宽度，制备方法过程中没有进行额外的步骤操作，且膜层的厚度可控可调，可实现薄膜电池结构的灵活制备。
16.本发明的优点在于：
17.本发明提供一种具有梯度带隙结构的锡硫化合物太阳能电池，其中的梯度带隙宽度吸收层为利用pecvd法制备sns薄膜过程中控制通入氮气的时间和分压条件而获得，由于氮气掺杂量的不同，造成sns薄膜的带隙宽度的不同，该梯度带隙结构膜层可作为n层与p
‑
sns薄膜之间的过渡层结构，可以降低层间电阻，同时，梯度带隙结构能够有效提高光生载流子的寿命以及电池的短路电流密度，进而提高电池的光电转换效率，且该掺杂工艺在薄膜制备过程中进行，未增加额外的工艺步骤。
附图说明
18.图1为本发明吸收层具有梯度带隙薄膜的薄膜太阳能电池的结构图。
19.图2为本发明制备吸收层为具有梯度带隙的薄膜的薄膜太阳能电池的工艺流程图。
具体实施方式
20.下面根据附图和实施例对本发明做进一步说明，但本发明的实施方式不限于此。
21.如图1所示，本发明的吸收层为具有梯度带隙薄膜的太阳能电池，其包括依次层叠的透明导电基底层、n
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(sns2)层或n
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sns2(tio2)层或n
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zno层、梯度带隙p
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sns(n)/p
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sns)吸收层以及背电极层，其中的梯度带隙p
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sns(n)/p
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sns)吸收层中的具有梯度带隙的sns(n)吸收层为利用pecvd法制备sns薄膜过程中控制通入氮气的时间和分压条件而获得，由于氮气掺杂量的不同，造成sns(n)薄膜的禁带宽度的不同，分压条件为氮气依次递减条件，带隙宽度梯度范围为1.5
‑
2.2ev。其中的n
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sns2(tio2)层表示在n
‑
sns2表面修饰tio2层；sns(n)表示氮掺杂sns薄膜。该梯度带隙结构膜层可作为sns2/sns2(tio2)层与p
‑
sns薄膜之间的过渡层结构，可以降低层间电阻，同时，梯度带隙结构能够有效提高光生载流子的寿命以及电池的短路电流密度，进而提高电池的光电转换效率，且该掺杂工艺在薄膜制备过程中进行，没有增加额外的工艺步骤。
22.如图2所示，本发明的吸收层具有梯度带隙的锡硫化合物太阳能电池的制备方法依次包括如下步骤：
23.在衬底上制备透明导电基底层或直接购买透明导电基底层，并进行清洗；
24.在透明导电基底层上制备n
‑
(sns2)层或n
‑
sns2(tio2)层或n
‑
zno层并进行热处理理步骤；
25.在步骤(2)中获得薄膜的基础上进行梯度带隙结构的p
‑
sns(n)/p
‑
sns的制备并进行相应的热处理步骤；
26.在步骤(3)制备获得的叠层薄膜的基础上制备背电极结构，得到具有梯度带隙结构的锡硫化合物太阳能电池。
27.其中步骤(2)所述的n
‑
(sns2)层可采用pecvd法或者通过凝胶溶胶法旋涂制备；n
‑
sns2(tio2)层中的tio2通过溶胶凝胶法制备后将其旋涂在n
‑
sns2涂层表面。步骤(3)中的具有梯度带隙结构的sns(n)的制备，其是在采用pecvd法制备sns薄膜的过程中在不同分压条件下通入不同时间的氮气而获得，由于掺杂量的不同，其中的sns(n)的带隙宽度不同，其中的分压条件为氮气依次递减条件，分压范围为1/2
‑
0，带隙宽度梯度范围为1.5
‑
2.2ev。
28.实施例1
29.在利用pecvd法进行薄膜电池的制备中，在使用前，将fto导电玻璃置于丙酮溶液中超声振荡15分钟，然后将丙酮清洗后的fto导电玻璃置于无水乙醇中再超声振荡清洗15分钟。将清洗后的fto导电玻璃用去离子水清洗多次，再用氮气吹干待用。sns2薄膜的制备采用固态源材料，利用na2s2o3
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5h2o和sncl4
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5h2o，射频电源功率200w，蒸发源温度550℃，基板温度250℃，退火温度350℃，退火时间1小时。本发明中所用的tio2溶胶采用溶胶
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凝胶法制备，制备方法是将3.4g钛酸丁酯逐滴加入5ml无水乙醇中并剧烈搅拌。将0.2ml硝酸、0.2ml去离子水、2ml无水乙醇混合得到的溶液滴入配制好的钛酸丁酯溶液中，并继续剧烈搅拌，从而制备得到tio2溶胶，然后将溶胶涂覆在已制备好的二硫化锡薄膜表面，制备得到n
‑
sns2(tio2)层，真空退火处理后以该基板为基底进行梯度带隙薄膜的制备，本发明中制备sns薄膜选用的固态源材料为na2s2o3
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5h2o和sncl2
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2h2o，薄膜制备工艺参数为，射频功率150w，蒸发源温度450℃，基板温度400℃，退火温度450℃，退火时间1小时，在沉积初始阶段在氮气分压1/2时通入氮气10分钟，氮气分压1/3时通入时间10分钟，氮气分压1/4时
通入氮气10分钟，氮气分压1/5时通入氮气10分钟，关闭氮气流量计，继续沉积10分钟，进而得到具有梯度带隙p
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sns(n)/p
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sns)薄膜，在接近薄膜沉积结束时，再次通入氮气5min，吸收层制备结束。然后将制备好的p
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n结表面涂覆银浆进行背电极的制备。银浆型号为ted pella，inc，no：16031。
30.实施例2
31.在利用pecvd法进行薄膜电池的制备中，在使用前，将fto导电玻璃置于丙酮溶液中超声振荡15分钟，然后将丙酮清洗后的fto导电玻璃置于无水乙醇中再超声振荡清洗15分钟。将清洗后的fto导电玻璃用去离子水清洗多次，再用氮气吹干待用。sns2薄膜的制备采用固态源材料，利用na2s2o3
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5h2o和sncl4
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5h2o，射频电源功率200w，蒸发源温度550℃，基板温度250℃，退火温度350℃，退火时间1小时，制备得到n
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sns2层，真空退火处理后以该基板为基底进行具有梯度带隙p
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sns(n)/p
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sns)薄膜的制备，本发明中制备sns薄膜选用的固态源材料为na2s2o3
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5h2o和sncl2
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2h2o，薄膜制备工艺参数为，射频功率150w，蒸发源温度450℃，基板温度400℃，退火温度450℃，退火时间1小时，沉积过程中，在氮气分压1/2时通入氮气10分钟，氮气分压1/3时通入氮气10分钟，氮气分压1/4时通入氮气10分钟，氮气分压1/5时通入氮气10分钟，关闭氮气流量计，继续沉积10分钟，进而得到具有梯度带隙p
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sns(n)/p
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sns)薄膜，在接近薄膜沉积结束时，再次通入氮气5min，吸收层制备结束。然后将制备好的p
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n结表面涂覆银浆进行背电极的制备。银浆型号为ted pella，inc，no：16031。
32.实施例3
33.在利用pecvd法进行薄膜电池的制备中，在使用前，将fto导电玻璃置于丙酮溶液中超声振荡15分钟，然后将丙酮清洗后的fto导电玻璃置于无水乙醇中再超声振荡清洗15分钟。将清洗后的fto导电玻璃用去离子水清洗多次，再用氮气吹干待用。sns2薄膜的制备采用固态源材料，利用na2s2o3
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5h2o和sncl4
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5h2o，射频电源功率200w，蒸发源温度550℃，基板温度250℃，退火温度350℃，退火时间1小时。本发明中所用的tio2溶胶采用溶胶
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凝胶法制备，制备方法是将3.4g钛酸丁酯逐滴加入5ml无水乙醇中并剧烈搅拌。将0.2ml硝酸、0.2ml去离子水、2ml无水乙醇混合得到的溶液滴入配制好的钛酸丁酯溶液中，并继续剧烈搅拌，从而制备得到tio2溶胶，然后将溶胶涂覆在已制备好的二硫化锡薄膜表面，制备得到n
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sns2(tio2)层，真空退火处理后以该基板为基底进行具有梯度带隙p
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sns(n)/p
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sns)薄膜的制备，本发明中制备sns薄膜选用的固态源材料为na2s2o3
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5h2o和sncl2
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2h2o，薄膜制备工艺参数为，射频功率150w，蒸发源温度450℃，基板温度400℃，退火温度450℃，退火时间1小时，在沉积初始阶段在氮气分压1/2时通入氮气10分钟，氮气分压1/3时通入时间10分钟，氮气分压1/4时通入氮气10分钟，氮气分压1/5时通入氮气10分钟，关闭氮气流量计，继续沉积10分钟，进而得到具有梯度带隙p
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sns(n)/p
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sns)薄膜，吸收层制备结束。然后将制备好的p
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n结表面涂覆银浆进行背电极的制备。银浆型号为ted pella，inc，no：16031。
34.根据上述工艺制备得到的具有梯度带隙的sns(n)薄膜的太阳能电池，光电转化效率得到有效提高。