一种微波辅助旋涂法制备硒薄膜太阳能电池的方法

技术领域

本发明涉及硒基太阳能电池技术领域，特别是涉及一种微波辅助旋涂法制备硒薄膜太阳能电池的方法。

背景技术

在半导体领域，三方相硒因具有优异的光电特性，使其在光电领域具有重要的应用价值。作为硒的重要应用，以三方相硒薄膜作为吸收层的硒基太阳能电池具有高的吸收系数、低的成本、良好的稳定性以及绿色无毒等优势，以及合适的禁带宽度(～1.9eV)使其在单结室内光伏和叠层光伏器件顶电池方面具有广阔的应用前景。

在半导体通用退火温度点(一般为该半导体熔点温度的85％)对非晶态半导体薄膜进行退火时，能够得到结晶均一的多晶半导体薄膜。然而，硒因其一维链装结构而存在晶格柔性大特点，以熔点温度的85％作为退火温度点进行退火时，即使长时间的退火亦很难使一维链装硒的键角达到理想晶硒的键角值，导致出现二面角缺陷，从而使其带隙变小及在禁带中出现杂质态；同时，长时间的热台退火易使硒链在退火过程中断键而在晶格中出现悬挂键，增加晶格内缺陷；再次，热台退火时因温度梯度在晶格内的存在，亦容易造成硒薄膜内结晶度存在差异，影响硒薄膜质量，最终影响使用该硒薄膜制备的太阳能电池的器件性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种微波辅助旋涂法制备硒薄膜太阳能电池的方法，通过控制微波辐照功率和时间来获得物相单一、结晶晶粒大且排列致密的高质量三方晶系硒薄膜，进而提高硒基太阳能电池的器件性能。

为实现上述目的，本发明提供了一种微波辅助旋涂法制备硒薄膜太阳能电池的方法，包括以下步骤，

S1、在透明基底上依次制备透明电极层、二氧化钛致密层和二氧化钛介孔层，制备完毕后将其置于匀胶机的吸盘上，将硒溶液滴加在二氧化钛介孔层上，旋涂时，转速为1000-3000rpm，时间为30-60s，待溶剂挥发后在二氧化钛介孔层表面得到均匀铺展的非晶硒薄膜；

S2、对S1中所得非晶硒薄膜进行微波辐照，微波照射的微波频率为2450MHz，辐照功率为150-750W，辐照时间为30-500s，该非晶硒薄膜在二氧化钛介孔层上生成多晶硒薄膜，得到硒光伏吸光层；

S3、在S2中的硒光伏吸光层上沉积MoO

S4、在S3中的空穴传输层上蒸镀金属电极，得到硒薄膜太阳能电池。

优选的，S1中，二氧化钛致密层的制备步骤为，使用双(乙酰丙酮基)二异丙基钛酸酯的乙醇溶液采用旋涂法制备，旋涂后在热台50-200℃预热5-15min，后将热台温度升高至400-500℃，保温30-60min，得到二氧化钛致密层。

优选的，S1中，二氧化钛介孔层的制备步骤为，使用二氧化钛浆料的乙醇溶液采用旋涂法制备，旋涂后转移至热台150-200℃预热5-15min，后将热台温度升高至400-500℃，保温30-60min，冷却得到二氧化钛介孔层。

优选的，S1中，二氧化钛致密层的厚度为50-100nm，二氧化钛介孔层的厚度为100-300nm，二氧化钛致密层和二氧化钛介孔层均为锐钛矿相。

优选的，S4中，金属电极为Mo、Cu、Au、Ag、Al中的一种或者多种，金属电极的厚度为80-200nm。

上述一种微波辅助旋涂法制备硒薄膜太阳能电池的方法制备得到的硒薄膜太阳能电池。

上述硒薄膜太阳能电池的结构为：透明基底/透明电极层/电子传输层/硒光伏吸光层/空穴传输层/金属电极。

优选的，电子传输层为二氧化钛致密层和二氧化钛介孔层。

优选的，透明电极层为氧化铟锡(ITO)、氧化氟锡(FTO)中的一种或多种。

优选的，双(乙酰丙酮基)二异丙基钛酸酯与乙醇的体积比为1:5-20。

优选的，二氧化钛浆料中二氧化钛颗粒的平均粒径范围为15-40nm，二氧化钛浆料与乙醇的质量比为1:2-10。

优选的，硒溶液的浓度为50-500mg/mL，硒溶液中的溶剂为体积比为1:1-10的肼和乙二胺，溶质为颗粒或粉末状的硒单质，硒单质的纯度为99％以上。

因此，本发明的有益效果为：

1、微波具有强的穿透力，相较传统热台退火存在温度梯度不同，采用微波辐照硒膜可以使硒薄膜中的所有硒链在微波作用下同时振动重排，而得到均一性更佳的硒薄膜，通过调控微波辐照功率和辐照时间可以制备大晶粒硒薄膜，能够较好的控制硒薄膜的致密性；

2、本发明采用旋涂工艺和微波退火相结合来制备多晶硒薄膜，无需从匀胶机上取下即可进行微波退火，能够实现硒薄膜高质量、均一性、大面积制备，有效简化硒基太阳能电池制备复杂程度，提高硒基太阳能电池的器件性能；

3、旋涂法可以在封闭惰性气体或封闭空气环境氛围中进行，相较热蒸发的真空环境具有简易的制备环境优势。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1是本发明实施例1中硒薄膜的XRD图；

图2是本发明实施例1中硒薄膜的SEM图。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

通过下面的实施例可以更详细的解释本发明，公开本发明的目的旨在保护本发明范围内的一切变化和改进，本发明并不局限于下面的实施例。

实施例1

S1、在清洁后的空白透明基底上依次制备透明电极层、二氧化钛致密层和二氧化钛介孔层，制备完毕后将其置于匀胶机的吸盘上抽气固定，将浓度为280mg/mL硒溶液滴加在二氧化钛介孔层上，旋涂时，转速为1000rpm，时间为50s，待溶剂挥发后在二氧化钛介孔层表面得到均匀铺展的非晶硒薄膜。

S1中，二氧化钛致密层的制备步骤为，使用双(乙酰丙酮基)二异丙基钛酸酯的乙醇溶液在透明电极层上采用旋涂法制备，旋涂转速为4000rpm，时间为50s，旋涂后在热台150℃预热12min，热台温度升高至450℃，保温45min，得到厚度为60nm的二氧化钛致密层。

S1中，二氧化钛介孔层的制备步骤为，使用二氧化钛浆料的乙醇溶液在二氧化钛致密层上采用旋涂法制备，二氧化钛浆料中二氧化钛颗粒的粒径为30nm，旋涂转速为5000rpm，旋涂时间为55s。旋涂后转移至热台150℃预热12min，热台温度升高至450℃，保温45min，冷却得到厚度为100nm的二氧化钛介孔层。

双(乙酰丙酮基)二异丙基钛酸酯与乙醇的体积比为1:10，二氧化钛浆料与乙醇的质量比为1:8。

硒溶液中的溶剂为体积比为1:5的肼和乙二胺，溶质为颗粒状的硒单质，硒单质的纯度为99％以上。

S2、对S1中所得表面均匀铺展的非晶硒薄膜进行微波辐照，微波照射的微波频率为2450MHz，辐照功率为450W，辐照时间为120s。非晶硒被微波辐照后，在二氧化钛介孔层上生成多晶硒薄膜，得到硒光伏吸光层。

上述步骤得到的多晶硒薄膜的XRD和扫描电镜图，如图1和图2所示。

S3、在S2中的硒光伏吸光层上沉积聚双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺，得到空穴传输层。

S4、在S3中的空穴传输层上蒸镀Au电极，Au电极的厚度为80nm，得到硒薄膜太阳能电池。所得硒薄膜太阳能电池在AM1.5G标准光照下的效率为5.1％，其中，开路电压为0.85V，短路电流为10.9mA cm

实施例2

S1、在清洁后的空白透明基底上依次制备透明电极层、二氧化钛致密层和二氧化钛介孔层，制备完毕后将其置于匀胶机的吸盘上抽气固定，将浓度为350mg/mL硒溶液滴加在二氧化钛介孔层上，旋涂时，转速为2000rpm，时间为35s，待溶剂挥发后在二氧化钛介孔层表面得到均匀铺展的非晶硒薄膜。

S1中，二氧化钛致密层的制备步骤为，使用双(乙酰丙酮基)二异丙基钛酸酯的乙醇溶液在透明电极层上采用旋涂法制备，旋涂转速为3000rpm，时间为30s，旋涂后在热台170℃预热8min，热台温度升高至500℃，保温60min，得到厚度为80nm的二氧化钛致密层。

S1中，二氧化钛介孔层的制备步骤为，使用二氧化钛浆料的乙醇溶液在二氧化钛致密层上采用旋涂法制备，二氧化钛浆料中二氧化钛颗粒的粒径为18nm，旋涂转速为4500rpm，时间为40s。旋涂后转移至热台170℃预热8min，热台温度升高至500℃，保温60min，冷却得到厚度为120nm的二氧化钛介孔层。

双(乙酰丙酮基)二异丙基钛酸酯与乙醇的体积比为1:7，二氧化钛浆料与乙醇的质量比为1:6.5。

硒溶液中的溶剂为体积比为1:8的肼和乙二胺，溶质为粉末状的硒单质，硒单质的纯度为99％以上。

S2、对S1中所得表面均匀铺展的非晶硒薄膜进行微波辐照，微波照射的微波频率为2450MHz，辐照功率为550W，辐照时间为90s。非晶硒被微波辐照后，在二氧化钛介孔层上生成多晶硒薄膜，得到硒光伏吸光层。

S3、在S2中的硒光伏吸光层上沉积MoO

S4、在S3中的空穴传输层上蒸镀Cu电极，Cu电极的厚度为100nm，得到硒薄膜太阳能电池。所得硒薄膜太阳能电池在AM1.5G标准光照下的效率为4.18％，其中，开路电压为0.82V，短路电流为9.7mA cm

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。