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CN106129143A - 一种高取向性硒化锑薄膜及其制备方法 - Google Patents

一种高取向性硒化锑薄膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于光电材料及薄膜太阳能电池制备领域，公开一种高取向性硒化锑薄膜及其制备方法，尤其是取向良好的硒化锑薄膜，所述高取向性硒化锑薄膜为一维链状材料，良好取向即为沿<002>方向生长的硒化锑链组成的薄膜。所述制备方法，具体为两步，包括：采用热蒸发法或其他方法制备锑金属薄膜，然后进行硒（硫）化处理的方法。本发明中的方法，可获得良好取向的硒化锑薄膜，有希望得到更高效的硒化锑薄膜太阳能电池，且简单易行，成本低廉。

Description

一种高取向性硒化锑薄膜及其制备方法
技术领域
本发明属于光电材料及薄膜太阳能电池制备领域，具体涉及一种高取向性硒化锑薄膜及其制备方法。
背景技术
硒化锑（Sb2Se3）是一种很有潜力的薄膜光伏吸收层材料，它有着合适的禁带宽度1~1.2eV，大的吸光系数（短波吸光系数>105 cm-1），原材料无毒且储量丰富，但是直到最近几年硒化锑薄膜太阳能电池才开始有国际文献记载和报道。
硒化锑是比较特殊的带状材料，因此其各个方向上的迁移率有显著的区别，而迁移率又决定着扩散长度从而影响电流。太阳能电池效率N=Voc*Jsc*FF，其中的Jsc即为电流密度，是影响电池转换效率的重要因素之一。专利文献1（CN 105324863 A）记载了一种薄膜太阳能电池及薄膜太阳能电池的制造方法，该发明的目的在于，提供一种光电转换效率高、尤其是开路电压高的薄膜太阳能电池及薄膜太阳能电池的制造方法。该发明的薄膜太阳能电池具有阴极、阳极、配置于所述阴极与所述阳极之间的光电转换层、和配置于所述阴极与所述光电转换层之间的电子传输层，所述光电转换层具有含有有机半导体的部位、和含有硫化锑和/ 或硒化锑的部位，在所述光电转换层与所述电子传输层之间，配置有含有稀土类元素和/ 或元素周期表第2 族元素的层。然而该专利文献1的技术方案存在的缺点是：其电池结构非常复杂， 硒化锑在其中的作用并不明确并且性能并未有显著变化。
专利文献2（CN 104638036 A）记载了一种高光响应近红外光电探测器，其特征在于：具体结构为透明惰性基底/ 硒化锑薄膜/ 电极，其中硒化锑薄膜为经过后硒化处理的硒化锑薄膜；所述后硒化处理为：将硒化锑薄膜在硒氛围中进行退火处理，其中：所述硒氛围的硒蒸气分压为1 ～ 10000Pa，退火温度为150 ～ 400℃，处理时间为5 ～ 30min ；或在硒化锑薄膜表面沉积一层硒，然后再进行退火处理，其中：沉积的硒的厚度为1 ～500nm，退火温度为150 ～ 400℃，退火时间为10 ～ 60min。该发明的高光响应近红外光电探测器的原材料丰富，价格低廉，工艺简单、经济、可操作性强，且具有高灵敏度。然而该专利文献2的技术方案存在的问题是：此方法为后处理方法，与本文制备硒化锑的方法相比更为复杂，并且此方法制备的硒化锑薄膜并不能具备有利的<002>取向。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种高取向性硒化锑薄膜及其制备方法，本发明的方法可以制备取向优良的硒化锑薄膜从而得到高的短路电流密度。
本发明的还一目的在于克服现有技术的缺点，提供一种包括该高取向性硒化锑薄膜的太阳能电池。
为了实现本发明的第一个目的，本发明采用如下的技术方案：
一种高取向性硒化锑薄膜，其特征在于，所述硒化锑薄膜为采用对金属锑薄膜进行硒化处理得到良好取向的硒化锑薄膜，即为沿<002>方向生长的硒化锑链组成的薄膜。
一种如上所述的高取向性硒化锑薄膜的制备方法，具体步骤包括：
第一步，使用热蒸发法制备金属锑薄膜：所述金属锑的蒸发工艺为蒸发源温度为500 ~800℃，基片加热温度为常温~ 200℃，蒸发时间为10 ~ 30min，真空度为10-2 ~ 10-4Pa；
第二步，对金属锑薄膜进行后硒化处理得到硒化锑薄膜，所述后硒化处理为：将金属锑薄膜在硒氛围中进行退火处理，其中：所述硒氛围的硒蒸气分压为1～10000Pa，退火温度为300～450℃，处理时间为12～30min。
本发明的还一目的在于提供一种硒化锑薄膜太阳能电池，其特征在于，包括上述所述高取向性硒化锑薄膜的制备方法得到的高取向性硒化锑薄膜。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：在本发明金属锑硒化法制备高取向性硒化锑薄膜的方法及硒化锑薄膜太阳能电池，硒化锑薄膜的表面形貌和X射线衍射有显著改变，晶粒尺寸变大至微米级，以<002>为最强峰或次强峰，对禁带宽度的改变较小，使其稍微变宽而有着更合适的禁带宽度。该制备方法可提高硒化锑薄膜太阳能电池的电流密度和填充因子，从而使效率大幅度提高。
附图说明
图1为本发明的金属锑薄膜的表面图样。
图2为本发明的良好取向的硒（硫）化锑薄膜的横截面示意图和表面图样。
图3为本发明的良好取向的硒（硫）化锑薄膜的光响应曲线。
图4为本发明的不同基底上的良好取向的硒（硫）化锑薄膜的X射线衍射曲线。
图5为本发明的良好取向的硒（硫）化锑薄膜的禁带宽度曲线。
图6为本发明的良好取向的硒（硫）化锑薄膜的X射线光电子能谱。
图7为由本发明的良好取向的硒（硫）化锑薄膜制备的太阳能电池的电流-电压即效率曲线。
具体实施方式
以下通过实施例形式对本发明的上述内容再作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。
为了提高电流密度，提高电池的性能，本发明实施例提供了一种高取向性硒化锑薄膜及其制备方法，包括：所述硒化锑薄膜为采用对金属薄膜进行后硒化处理得到良好取向的硒化锑薄膜，即为沿<002>方向生长的硒化锑链组成的薄膜。所述高取向性硒化锑薄膜为一维链状材料。在该技术方案中，使用金属锑硒化退火处理以此改良薄膜取向从而提高电流密度以达到器件性能的提升。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下举具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
本发明具体涉及一种高取向性硒化锑薄膜及其制备方法，解决现有硒化锑薄膜太阳能电池的短路电流及效率较低的问题。
一种高取向性硒化锑薄膜，其特征在于，包括：所述硒化锑薄膜为采用对金属锑薄膜进行硒化处理得到良好取向的硒化锑薄膜，即为沿<002>方向生长的硒化锑链组成的薄膜。
所述高取向性硒化锑薄膜的制备方法，具体步骤包括：
第一步，使用热蒸发法制备金属锑薄膜：所述金属锑的蒸发工艺为蒸发源温度为500 ~800℃，基片加热温度为常温~ 200℃，蒸发时间为10 ~ 30min，真空度为10-2 ~ 10-4Pa；
第二步，对金属锑薄膜进行后硒化处理得到硒化锑薄膜，所述后硒化处理为：将金属锑薄膜在硒氛围中进行退火处理，其中：所述硒氛围的硒蒸气分压为1～10000Pa，退火温度为300～450℃，处理时间为12～30min。
本发明的目的还在于提供一种硒化锑薄膜太阳能电池，其特征在于，包括上述所述高取向性硒化锑薄膜的制备方法得到的高取向性硒化锑薄膜。
在本发明金属锑硒化法制备硒化锑薄膜太阳能电池的方法中，硒化锑薄膜的表面形貌和X射线衍射有显著改变，晶粒尺寸变大至微米级，以<002>为最强峰或次强峰，对禁带宽度的改变较小，使其稍微变宽而有着更合适的禁带宽度。该处理可提高了硒化锑薄膜太阳能电池的电流密度和填充因子从而效率大幅度提高。
以下列举具体的实施例对本发明改良硒化锑取向的方法进行说明，并通过该方法制备得到了太阳能电池，但本发明并不限于下述实施例。下述实施例中的条件均为实验最优，但是本发明的上述的含量都可以应用于改良硒化锑取向的金属锑后硒化的方法中，以下仅以较佳的处理条件进行说明。
实施例
步骤一、用去离子水，丙酮，异丙醇，去离子水依次清洗透明导电FTO玻璃各三十分钟，再用氮气枪吹干；
步骤二、使用热蒸发法沉积300nm的金属锑薄膜，蒸发源温度为500-600℃，基片加热温度为常温，蒸发时间为20min；
步骤三、在手套箱中用石英盖子和50mg硒颗粒退火十六分钟后开盖得到取向良好的硒化锑薄膜。
对实施例得到的太阳能电池分别进行性能测试，测试结果如表 1 所示。
表 1 用实施例作为P型层制得的太阳能电池的性能表
Voc(V) Jsc (mA/cm2) FF(%) Eff(%) Rs Rsh
TiO2 0.17 2.7 31.7 0.2 456 1036
TiO2 nanosheet 0.28 3.7 29.63 0.3 561 1025
第一列为N型层的描述。

Claims (3)

1.一种高取向性硒化锑薄膜，其特征在于，所述硒化锑薄膜为采用对金属锑薄膜进行硒化处理得到良好取向的硒化锑薄膜，即为沿<002>方向生长的硒化锑链组成的薄膜。
2.一种权利要求1所述的高取向性硒化锑薄膜的制备方法，其特征在于，具体步骤包括：
第一步，使用热蒸发法制备金属锑薄膜：所述金属锑的蒸发工艺为蒸发源温度为500 ~800℃，基片加热温度为常温~ 200℃，蒸发时间为10 ~ 30min，真空度为10-2 ~ 10-4Pa；
第二步，对金属锑薄膜进行后硒化处理得到硒化锑薄膜，所述后硒化处理为：将金属锑薄膜在硒氛围中进行退火处理，其中：所述硒氛围的硒蒸气分压为1～10000Pa，退火温度为300～450℃，处理时间为12～30min。
3.一种硒化锑薄膜太阳能电池，其特征在于，包括权利要求2所述高取向性硒化锑薄膜的制备方法得到的高取向性硒化锑薄膜。
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