一种叠层太阳能电池吸收层材料SrZrS3薄膜及其制备方法

一种叠层太阳能电池吸收层材料srzrs3薄膜及其制备方法
技术领域
1.本发明属于叠层太阳能电池薄膜材料制备领域，尤其涉及一种顶电池的吸收层材料srzrs3薄膜及其制备方法。

背景技术：

2.薄膜太阳能电池在利用清洁太阳能资源方面具有重要的作用，然而根据肖克利-奎伊瑟极限(shockley-queisser limit)，单结太阳能电池的极限效率为33.7％，成为限制太阳电池效率进一步提高的瓶颈。通过创新的结构设计，把高效率的底电池和宽禁带的顶电池以串联方式叠加在一起，可以获得叠层太阳电池，该策略可以拓展太阳能电池的光谱吸收范围，从而提高对太阳光的利用率和电池光电转化效率，因此吸引了研究人员的广泛关注。
3.硫化物钙钛矿srzrs3是一种理想的顶电池吸收层材料，其具有湿/热稳定性好、光吸收系数高、禁带宽度适宜、载流子迁移率高、组成元素环境友好且地壳丰度高等诸多优势。然而，受限于硫化物钙钛矿自身强化学键等本质材料特征，靶材制备方法和薄膜生长往往需要复杂的条件，目前尚缺少一种简单的方法能够直接制备srzrs3薄膜，成为本领域研究人员致力于解决的关键难题。

技术实现要素：

4.鉴于上述现有技术的不足，本发明公开一种顶电池的吸收层材料srzrs3薄膜及其制备方法，直接利用srzrs3靶材磁控溅射成膜并进行重结晶处理提升结晶性能，所获得的srzrs3薄膜具有良好的稳定性、较高的吸收系数、表面形貌平整均一、适宜作为顶电池的光学禁带宽度等优良特征，所述srzrs3薄膜的制备方法包括如下步骤：
5.s1：制备srzrs3粉末并压制为srzrs3靶材；
6.s2：基于srzrs3靶材通过磁控溅射沉积获得前驱体薄膜；
7.s3：对前驱体薄膜进行重结晶处理得到srzrs3薄膜；
8.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
9.首先解决的了srzrs3粉末的制备难题，利用管式炉实现了批量生产srzrs3粉末，优化了srzrs3粉末制备条件；其次解决了srzrs3靶材压制难题，利用压片机和管式炉制备了直径为50.8mm标准靶材，为利用磁控溅射等设备生长薄膜奠定了基础；然后在还原性保护气氛下进行重结晶处理，得到了具有良好结晶性、稳定性、光学带隙适宜的srzrs3薄膜；srzrs3薄膜良好的稳定性源于其组成原子sr-zr-s之间较强的化学键，其特殊的钙钛矿结构使其具有优异的太阳光吸收特性和良好的载流子传输特性，且不含有铅等有毒元素，环境友好，因此，本发明提出的srzrs3薄膜制备方法为其在太阳能顶电池中作为吸收层薄膜奠定了材料基础。
附图说明
10.图1是本发明所述的srzrs3薄膜制备方法流程图；
11.图2是本发明实施例1中获得的srzrs3薄膜x射线衍射图，其经过50％-70％湿度环境中400℃稳定性测试后的x射线衍射图，和标准粉末衍射参考图。
12.图3是本发明实施例1中获得的srzrs3薄膜扫描电镜形貌图。
13.图4是本发明实施例1中获得srzrs3薄膜能量散x射线图(eds)，可见其含有sr、zr、s元素，符合预期且不含有其他杂质元素。
14.图5是本发明实施例1中获得srzrs3薄膜的吸收系数，可见其在大于其禁带宽度2.0ev区域内具有较高的光吸收系数。
15.图6是本发明实施例1中获得srzrs3薄膜的x射线光电子能谱图，从全谱图中可以看出sr、zr、s三种元素都能得到正确的标定，三种元素的精细谱显示其化学价分别是+2、+4、-2，符合预期。
具体实施方式
16.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
17.实施例1
18.步骤s1，称取10g srzro3粉末,放入坩埚后送至管式炉内，封闭管式炉，关闭进气口，使用旋片式机械泵等真空设备抽管式炉腔至本底真空，所述本底真空低于0.1pa，然后通过进气口向管式炉内通入二硫化碳蒸汽至工作气压30pa，设置升温程序以5℃/min的升温速率升高至工作温度1000℃，保温1h后，以5℃/min的降温速率降低管式炉温度至室温，充气后取出粉末即为srzrs3粉末，该过程化学反应方程式为2srzro3+3cs2＝2srzrs3+3co2；使用压片机对上述srzrs3粉末进行压片，使用模具直径为60mm，因此获得的圆片直径为60mm，将获得的压片重新放入管式炉中烧结1h，除工作温度变更为1300℃外，其他条件和srzrs3粉末制备过程相同，降温至室温后取出，打磨所得圆片使其直径缩减为50.8mm，将打磨好的圆片用铟粘接到铜背板上，该步骤可以获得直径为50.8mm的srzrs3靶材；
19.步骤s2，将步骤s1获得的srzrs3靶材放入磁控溅射系统，抽真空至本底真空，所述本底真空低于0.001pa，然后通过进气系统通入流量为20sccm的氩气，调节高阀使得磁控溅射系统内部气压达到工作气压1pa后，在石英基板上进行溅射沉积，基板温度设置为500℃，沉积2个小时后，停止溅射，将系统温度降至室温后，取出所获得的前驱体薄膜；
20.步骤s3，将步骤s2获得的前驱体薄膜放入管式炉中进行重结晶处理，封闭管式炉，关闭进气口，使用旋片式机械泵等抽管式炉腔至本底真空，所述本底真空低于0.1pa，然后通过进气口向管式炉内通入还原性气体二硫化碳至工作气压30pa，用以形成还原性保护气体氛围避免前驱体薄膜的氧化，设置升温程序以5℃/min的升温速率升高至工作温度1000℃，保温1h后，以5℃/min的降温速率降低管式炉至室温，充气后取出薄膜即为srzrs3薄膜。
21.图1是本发明实施例1的制备方法流程图；
22.图2是本发明实施例1获得的srzrs3薄膜x射线衍射图，其经过50％-70％湿度环境
中400℃稳定性测试后的x射线衍射图，和标准粉末衍射参考图，可见无论是制备出srzrs3薄膜还是经过湿热稳定性测试之后的srzrs3薄膜，主要衍射峰及其峰强均未发生明显改变，其晶体结构都没有发生变化，srzrs3材料良好的稳定性主要来源于其组成原子之间具有很强的化学键，不容易和环境中氧和水汽反应；
23.图3是本发明实施例1获得的srzrs3薄膜扫描电镜形貌图，可见，借助磁控溅射形成致密性薄膜并进一步利用高温重结晶方法，获得的srzrs3薄膜具有均一、平整的表面形貌；
24.图4是本发明实施例1中获得srzrs3薄膜能量散x射线图(eds)，除基板元素si和o外，可见其只含有sr、zr、s元素，符合预期且不含有其他杂质元素，说明制备过程借助较低的本底真空，可以避免引入其他杂质，有利于获得高纯度的srzrs3薄膜；
25.图5是本发明实施例1中获得srzrs3薄膜的吸收率图。可见其在大于2.0ev的时候，吸收率大幅度上升，证明其禁带宽度在2.0ev附近。根据其薄膜厚度为100nm等数据，可以推算出其在》2.0ev区域内吸收系数可以达到105cm-1
，证明本发明制备出的srzrs3薄膜针对太阳光谱中短波部分具有良好的吸收性能,适用于制备高效率太阳能电池。
26.图6是本发明实施例1中获得srzrs3薄膜的x射线光电子能谱图，从全谱图中可以看出sr、zr、s三种元素都能得到正确的标定，三种元素的精细谱峰位和峰强都符合标准，同时显示其化学价分别是+2、+4、-2，符合预期。
27.表1是本发明实施例1中获得srzrs3薄膜的霍尔测试结果，可以看出其电阻率处于半导体区间，呈现出n型导电，载流子浓度适中，迁移率高达217cm2·
v-1
·
s-1
，适合光生载流子的快速分离，有利于实现高效率的光伏电池。
[0028][0029]
实施例2
[0030]
步骤s1，与实施例1中步骤s1相同；
[0031]
步骤s2，与实施例1中步骤s2相同；
[0032]
步骤s3，将步骤s2获得的前驱体薄膜放入管式炉中进行重结晶处理，封闭管式炉，关闭进气口，使用旋片式机械泵等抽管式炉腔至本底真空，所述本底真空低于0.1pa，然后通过进气口向管式炉内通入还原性气体硫化氢至工作气压30pa，用以形成还原性保护气体氛围避免前驱体薄膜的氧化，设置升温程序以5℃/min的升温速率升高至工作温度1000℃，保温1h后，以5℃/min的降温速率降低管式炉至室温，充气后取出薄膜即为srzrs3薄膜，此处所述步骤s3除还原性气体由二硫化碳替换为硫化氢外，其他条件与实施例1中步骤s3相同。
[0033]
实施例3
[0034]
步骤s1，与实施例1中步骤s1相同；
[0035]
步骤s2，与实施例1中步骤s2相同；
[0036]
步骤s3，将步骤s2获得的前驱体薄膜放入管式炉中进行重结晶处理，封闭管式炉，
关闭进气口，使用旋片式机械泵等抽管式炉腔至本底真空，所述本底真空低于0.1pa，然后通过进气口向管式炉内通入还原性气体二硫化碳至工作气压30pa，用以形成还原性保护气体氛围避免前驱体薄膜的氧化，设置升温程序以5℃/min的升温速率升高至工作温度1100℃，保温1h后，以5℃/min的降温速率降低管式炉至室温，充气后取出薄膜即为srzrs3薄膜，此处所述步骤s3除工作温度变更为1100℃外，其他条件与实施例1中步骤s3相同。

技术特征：

1.一种叠层太阳能电池吸收层材料srzrs3薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：s1.制备srzrs3粉末并压制为srzrs3靶材；s2.基于srzrs3靶材通过磁控溅射沉积获得前驱体薄膜；s3.对前驱体薄膜进行重结晶处理得到srzrs3薄膜。2.如权利要求1所述的srzrs3薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤s1中制备srzrs3粉末方法为：将原材料srzro3粉末置于坩埚中并放置于管式炉内，使用机械泵抽管式炉至本底真空低于0.1pa，通入二硫化碳蒸汽至反应气压30pa，设置管式炉升温至1000℃并保温1h，然后降至室温后获得srzrs3粉末。3.如权利要求1所述的srzrs3薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤s1中制备srzrs3靶材方法为：将srzrs3粉末研磨后利用压片模具压制成直径为60mm的圆片，然后将圆片放入管式炉中进行1h烧结，烧结温度为1300℃，降温至室温后取出，打磨所得圆片直径为50.8mm并粘接到铜背板上，可制得srzrs3靶材。4.如权利要求1所述的srzrs3薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤s2中磁控溅射沉积前驱体薄膜的步骤为：将步骤s1制得的srzrs3靶材置入磁控溅射系统中，进行磁控溅射沉积，制得前驱体薄膜。5.如权利要求4所述的srzrs3薄膜的制备方法，其特征在于，磁控溅射过程中，srzrs3溅射的功率为60w，磁控溅射系统本底真空低于0.001pa，磁控溅射系统内基板为石英基板，基板温度为500℃，溅射压强为1pa，溅射流量为20sccm，溅射时间为2h。6.如权利要求1所述的srzrs3薄膜的制备方法，其特征在于，步骤s3重结晶过程为：将步骤s2中获得的前驱体薄膜置于管式炉中，使用机械泵抽至本底真空低于0.1pa，通入还原性气体至30pa避免氧化，设置管式炉升温至重结晶温度并保温1h，所述重结晶温度为1000-1100℃，然后降至室温后获得srzrs3薄膜。7.如权利要求6所述的步骤s3重结晶过程，其中还原性气体为二硫化碳或者硫化氢气体。8.一种srzrs3薄膜，其特征在于，所述的srzrs3薄膜采用权利要求1-7任一项所述的制备方法制得。9.权利要求8所述的srzrs3薄膜在叠层太阳能电池的顶电池器件的应用。

技术总结

本发明公开了一种叠层太阳能电池吸收层材料SrZrS3薄膜及其制备方法，涉及太阳能薄膜材料领域。此处所述制备方法包括以下步骤：制备SrZrS3粉末并压制为SrZrS3靶材；将SrZrS3靶材放入磁控溅射腔中沉积得到前驱体薄膜；将前驱体薄膜进行重结晶处理得到最终产物SrZrS3薄膜。本发明所制备的SrZrS3薄膜禁带宽度适合作为叠层太阳能电池中顶电池的吸收层材料。其吸收系数大于105cm-1

技术研发人员：

韩炎兵 史志锋 魏要伟 陈旭 梁雨润 毛子慧

受保护的技术使用者：

郑州大学

技术研发日：

2022.09.20

技术公布日：

2022/12/16