金属钼
铜锌锡硫电池的缓冲层通常使用硫化镉制备,这种材料的主要作用是让铜锌锡硫禁带宽度在窗口层和吸收层形成过度,并减少材料之间的带隙宽幅和晶格失配问题,且硫化镉几乎不受空气水分的影响,可以防止材料出现溅射现象从而起到对缓冲层的保护,避免出现漏电。
窗口层一般采用氧化钙和氧化铟锡制备,这两种材料能够大大提高电池的使用寿命,并且在透光性和导电性上的表现十分优良,其中氧化钙还能将收集器中产生的光载流子传输到外电路中,最后作为太阳能电池中唯一的阴极材料,金属镍和金属铝共同制备,这两种材料结合后会在窗口层和缓冲层之间形成欧姆接触,且避免了表面氧化物的生成,从而保证了电池长期稳定的性能。
制备流程图
3、制备方法
铜锌锡硫电池的制备方法从广义上分为真空法和非真空法,其中真空法包括磁控溅射法和多源蒸发法以及脉冲激光法,而非正空法主要是纳米颗粒法和电化学沉积法以及溶液制备法。
磁控溅射法的原理就是通过电场作用获得动能并轰击标靶,使得原子被激发从而沉积在材料上形成薄膜。
多源蒸发法通常会使用数个蒸发源将固体材料加热,并调节金属的蒸镀速率,但对于面积较大的薄膜无法保证其均匀性。
脉冲激光法就是以高强度的激光照射使得材料快速沉积形成光层薄膜。
纳米颗粒法的成本相对较低,以金属盐和有机溶剂形成透明胶体从而形成薄膜。
电化学沉积法的原理是在外电路的作用下使含有稀有元素的电极沉积到电解液中,待光照加热后成为吸光层薄膜。
最后,溶液法就是将特点元素化合物溶解于特定溶剂中,这种方法在生产时最关键的就是溶剂的选择,当前备受关注的DMSO溶剂就是其中之一。
由DMSO溶液制备的薄膜晶粒生长过程示意图
DMSO溶液制备法与真空法相比,溶液法制备的太阳能薄膜电池更具优势,而以甲基亚砜(DMSO)溶液的优势就在于能够更好的控制元素的组分,其次该溶液的成本较低易于实现商业化,当该溶液完全溶解后即为前驱体溶液,这种溶液的硫化反应时间对光伏器件的性能影响巨大。
硫化过程曲线图
如果反应时间不足,容易导致吸收层薄膜无法结晶,甚至抑制载流子的产生,而反应时间过长又会导致薄膜发生分解,所以硫化温度应低于钙玻璃基底的软化温度,并且随着硫化温度的升高而降低。
因为薄膜为单晶结构,薄膜上的晶粒几乎是垂直相连的,所以吸收层底部会出现颗粒和杂质,如果硫化反应结束后出现脱膜现象,这表明吸收层薄膜在硫化反应的过程中表面硫化分布不均匀,而这种现象出现的主要原因是因为期间参数较低,且与直接相变晶粒生长有关,导致由高串联电阻和低并联电阻性能变低,所以后期可通过进一步优化制备条件而使得DMSO溶液制备法获得更高的效率。
结论通过大量的实验表明,该方法制备的电池器件足以与真空法制备的高效率器件媲美,但该方法制备得到的电池性能参数仍有很大的提升空间,主要存在的问题在于效率低,载流子寿命短,带尾态和异质结界面处不均衡匹配等,不过其较高的光电转换率足以弥补这一缺点,且作为一种操作简单能实现大规模工业生产的制备方法,在后续的研究中一旦得到突破必然会给世界能源格局带来极大的变化。