CN113380924A - 一种铜基薄膜太阳电池吸收层成分调控的方法及制备得到的太阳电池 - Google Patents

一种铜基薄膜太阳电池吸收层成分调控的方法及制备得到的太阳电池 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种铜基薄膜太阳电池吸收层成分调控的方法及制备得到的太阳电池。该薄膜太阳电池吸收层成分的调控方法，包括：在背电极上制备铜锌锡硫前驱体薄膜；对前驱体薄膜进行高温退火，退火过程中通过压力调节控制反应动力学过程，实现吸收层组分调控。本发明中通过反应的动力学控制，减少了Sn元素的流失，精确地调控了吸收层中的Sn含量，为高效铜基薄膜太阳电池的制备提供了一个可控的化学计量吸收层成分的调控方法。由此，增加了开路电压，优化了载流子的传输和收集效率，显著提升了薄膜太阳电池的光电转换效率。本发明压强控制工艺简单，有效地解决了目前吸收层面临的严重Sn流失问题，为薄膜太阳电池的产业化提供了一条路径。

Description

一种铜基薄膜太阳电池吸收层成分调控的方法及制备得到的 太阳电池
技术领域
本发明涉及太阳电池领域，尤其涉及一种铜基薄膜太阳电池吸收层成分控制方法、一种铜基薄膜太阳电池及其制备方法。
背景技术
能源危机及环境污染是当前全球面临的难题和挑战，发展可再生绿色能源现已成为人类面临的共性问题和研究热点。而光伏发电具有安全可靠、无噪声、无污染、制约少、故障率低、维护简便等优点，是最有希望真正解决未来社会可再生能源和环境问题的先进技术。其中代表性的Cu基薄膜电池因其具有丰富原料，高吸收系数和合适的带隙范围等优势，成为当前的研究热点。
目前，新兴的铜基薄膜太阳电池采用地壳丰富,成本低廉的元素(Zn,Mn,Mg,Ba,Sn,Ge)代替原高效的铜铟镓硒(CuInxGa1-xSe2,简称CIGSe)薄膜电池中的稀有金属元素(In,Ga)制备而成。但是目前其吸收层在制备过程中因Sn元素的流失导致组分偏离最佳的化学计量，导致Sn相关的深能级缺陷的形成，恶化开路电压，使得其效率远低于预期光电转换效率。大量的理论研究和实验证实Sn相关的缺陷，包括VSn，SnZn，CuSn等缺陷的形成了作为非辐射复合和少数载流子的捕获中心进而造成了电池效率的衰减。而Sn缺陷的控制是目前面临的一个难题，主要是因为在吸收层的制备过程中需要经历一个前驱体薄膜的高温硒化过程。这一高温过程不可避免的导致了挥发性SnSex的流失，进而造成Sn的损失和相关缺陷的形成。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铜基薄膜太阳电池吸收层成分调控的方法、一种铜基薄膜太阳电池及其制备方法。
为实现以上目的，本发明提供以下技术方案。
本发明第一方面提供一种铜基薄膜太阳电池吸收层的缺陷调控方法，包括：
在背电极上旋涂沉积前驱体薄膜；
使用快速升温炉硒化处理，获得铜基薄膜太阳电池的吸收层。
作为上述技术方案的进一步改进，所述硒化处理的压强为0.04MPa～0.13MPa。
作为上述技术方案的进一步改进，硒化处理过程采用氮气做保护气氛。
作为上述技术方案的进一步改进，所述硒化处理温度为300～600℃的，硒化处理时间10～30min。
本发明第二方面提供一种铜基薄膜太阳电池的吸收层，由第一方面所述的制备方法制备得到。
本发明第三方面提供一种铜基薄膜太阳电池，所述铜基薄膜太阳电池的正电极为第二方面所述的铜基薄膜太阳电池吸收层。
作为上述技术方案的进一步改进，包括依次层叠设置的衬底、正电极、光吸收层、缓冲层、窗口层和顶电极。
作为上述技术方案的进一步改进，所述吸收层薄膜表示为M12M2M3X4,其中M1是铜Cu、银Ag或其组合，M2是锌Zn、镉Cd、镁Mg、钡Ba、锰Mn或其组合，M3是锗Ge、锡Sn或其组合,X是硫S,硒Se或其组合。
作为上述技术方案的进一步改进，所述缓冲层的材料为CdS、(Cd,Zn)S、(Zn,Sn)O、Zn(O,S)或In2S3。
作为上述技术方案的进一步改进，所述窗口层包括依次层叠设置的本征氧化锌层和掺杂氧化锌层。
作为上述技术方案的进一步改进，所述顶电极的材料为银或镍铝合金。
作为上述技术方案的进一步改进，所述光吸收层的厚度为0.8～3μm。
作为上述技术方案的进一步改进，所述缓冲层的厚度为30～80nm。
作为上述技术方案的进一步改进，所述本征氧化锌层的厚度为30～100nm。
作为上述技术方案的进一步改进，所述掺铝氧化锌或氧化铟锡的厚度为200～800nm。
作为上述技术方案的进一步改进，所述顶电极的厚度为0.5～2μm。
本发明第四方面提供一种铜基薄膜太阳电池的制备方法，包括：
根据第一方面所述的制备方法制备铜基薄膜太阳电池的正电极；
在所述正电极上形成光吸收层；
在所述光吸收层上形成缓冲层；
在所述缓冲层上形成窗口层；
在所述窗口层上形成顶电极。
作为上述技术方案的进一步改进，所述吸收层薄膜表示为M12M2M3X4,其中M1是铜Cu、银Ag或其组合，M2是锌Zn、镉Cd、镁Mg、钡Ba、锰Mn或其组合，M3是锗Ge、锡Sn或其组合,X是硫S,硒Se或其组合。
作为上述技术方案的进一步改进，所述缓冲层的材料为CdS、(Cd,Zn)S、(Zn,Sn)O、Zn(O,S)或In2S3。
作为上述技术方案的进一步改进，窗口层包括本征氧化锌层和掺铝氧化锌层组合或本征氧化锌层和氧化铟锡层组合。
作为上述技术方案的进一步改进，所述顶电极的材料为银或镍铝合金。
作为上述技术方案的进一步改进，所述光吸收层的厚度为0.8～3μm。
作为上述技术方案的进一步改进，所述缓冲层的厚度为30～80nm。
作为上述技术方案的进一步改进，所述本征氧化锌层的厚度为30～100nm。
作为上述技术方案的进一步改进，掺铝氧化锌或氧化铟锡的厚度为200～800nm。
作为上述技术方案的进一步改进，所述顶电极的厚度为0.5～2μm。
本发明的有益效果：本发明中调控薄膜生长过程的硒化压力，控制了反应动力学的方向，减少了吸收层的元素流失，精准的调控了吸收层化学组成，使器件性能得到了明显的提高，尤其是开路电压提升非常显著。压强控制工艺简单，有效地解决了目前吸收层面临的严重Sn流失问题，为薄膜太阳电池的产业化提供了一条路径。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对本发明范围的限定。
图1为实施例5，6，7，8中铜基薄膜太阳电池的结构示意图。
图2为铜基薄膜太阳电池的效率图。
表1为不同吸收层薄膜的压强与组分关系。
具体实施方式
如本文所用之术语：
“由……制备”与“包含”同义。本文中所用的术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其任何其它变形，意在覆盖非排它性的包括。例如，包含所列要素的组合物、步骤、方法、制品或装置不必仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的其它要素或此种组合物、步骤、方法、制品或装置所固有的要素。
连接词“由……组成”排除任何未指出的要素、步骤或组分。如果用于权利要求中，此短语将使权利要求为封闭式，使其不包含除那些描述的材料以外的材料，但与其相关的常规杂质除外。当短语“由……组成”出现在权利要求主体的子句中而不是紧接在主题之后时，其仅限定在该子句中描述的要素；其它要素并不被排除在作为整体的所述权利要求之外。
当量、浓度、或者其它值或参数以范围、优选范围、或一系列上限优选值和下限优选值限定的范围表示时，这应当被理解为具体公开了由任何范围上限或优选值与任何范围下限或优选值的任一配对所形成的所有范围，而不论该范围是否单独公开了。例如，当公开了范围“1～5”时，所描述的范围应被解释为包括范围“1～4”、“1～3”、“1～2”、“1～2和4～5”、“1～3和5”等。当数值范围在本文中被描述时，除非另外说明，否则该范围意图包括其端值和在该范围内的所有整数和分数。
在这些实施例中，除非另有指明，所述的份和百分比均按质量计。
“质量份”指表示多个组分的质量比例关系的基本计量单位，1份可表示任意的单位质量，如可以表示为1g，也可表示2.689g等。假如我们说A组分的质量份为a份，B组分的质量份为b份，则表示A组分的质量和B组分的质量之比a：b。或者，表示A组分的质量为aK，B组分的质量为bK(K为任意数，表示倍数因子)。不可误解的是，与质量份数不同的是，所有组分的质量份之和并不受限于100份之限制。
“和/或”用于表示所说明的情况的一者或两者均可能发生，例如，A和/或B包括(A和B)和(A或B)。
本发明第一方面提供一种铜基薄膜太阳电池吸收层的成分调控的方法，包括一下步骤：
首先，在背电极上沉积前驱体薄膜。前驱体薄膜的制备方法可以采用溶胶-凝胶法，溅射法，电沉积，刮涂等。本实施中使用的溶胶-凝胶法制备的前驱体薄膜。所述前驱体溶液所用的药品例如为：乙酸铜，氯化锌，氯化亚锡和硫脲；溶剂为N,N-二甲基甲酰胺，但不限于此。
然后，对所述前驱体薄膜进行不同压强下的高温硒化处理制备光吸收层，通过控制压力调节硒化动力学的反应方向，从而精准控制Sn的含量和吸收层的元素化学计量比。
其中，前驱体薄膜为I-II-IV-VI族化合物半导体材料。高温硒化处理指的是将前驱体薄膜置于快速退火炉中，采用氮气或氩气等惰性气体为保护气体，在硒、硫或其他混合气氛下对前驱体薄膜进行300℃～600℃的高温退火。这一过程目的是提高薄膜的结晶质量。硒化时间为10～30min。根据高温硫化的反应机理：
Figure BDA0003100249600000061
调控硒化的压强，可选地所述压强为0.04MPa～0.13MPa，控制SnS的流失，调控吸收层的缺陷形成。吸收层的厚度优选为0.8～3μm。
所述吸收层薄膜表示为M12M2M3X4,其中M1是铜Cu、银Ag或其组合，M2是锌Zn、镉Cd、镁Mg、钡Ba、锰Mn或其组合，M3是锗Ge、锡Sn或其组合,X是硫S,硒Se或其组合。
本发明第二方面提供一种铜基薄膜太阳电池，所述铜基薄膜太阳电池的吸收层为第一方面提供的铜基薄膜太阳电池吸收层。
可选地，所述铜基薄膜太阳电池包括依次层叠设置的衬底、背电极、光吸收层、缓冲层、窗口层和顶电极。
可选地，所述吸收层薄膜表示为M12M2M3X4,其中M1是铜Cu、银Ag或其组合，M2是锌Zn、镉Cd、镁Mg、钡Ba、锰Mn或其组合，M3是锗Ge、锡Sn或其组合,X是硫S,硒Se或其组合。
可选地，所述缓冲层的材料为CdS、(Cd,Zn)S、(Zn,Sn)O、Zn(O,S)或In2S3。
可选地，所述窗口层包括本征氧化锌层和掺铝氧化锌层组合或本征氧化锌层和氧化铟锡层组合。
可选地，所述顶电极的材料为银或镍铝合金。
可选地，所述光吸收层的厚度为0.8～3μm。
可选地，所述缓冲层的厚度为30～80nm。
可选地，所述本征氧化锌层的厚度为30～100nm。
可选地，所述掺铝氧化锌或氧化铟锡的厚度为200～800nm。
可选地，所述顶电极的厚度为0.5～2μm。
本发明第三方面提供一种铜基薄膜太阳电池的制备方法，包括：
在所述正电极上形成光吸收层；
在所述光吸收层上形成缓冲层；
在所述缓冲层上形成窗口层；
在所述窗口层上形成顶电极。
光吸收层可采用溶胶-凝胶法制备，先通过在背电极上旋涂Cu2ZnSnS4前驱体溶液,再置于加热台上进行退火，目的是促进有机物挥发，所述退火温度200～500℃，退火时间30～250秒。重复上述步骤多次，获得的预制层薄膜厚度为0.8～3μm。然后进行高温硒化处理或硫化处理形成光吸收层。
硒化处理是指在硒的气氛下对预制层进行300～600℃的高温退火，退火时间10～30min。控制硒化压力为0.04MPa～0.13MPa。
所述缓冲层可采用化学水浴法、原子层沉积法或蒸发法制备。
窗口层可通过磁控溅射法制备，先采用磁控溅射法在缓冲层上制备本征氧化锌层，然后，采用磁控溅射法制备掺杂氧化锌层。
顶电极可通过电子束蒸发法制备。
下面将结合具体实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1：
一种铜基薄膜太阳电池吸收层成分的调控方法制备，包括以下步骤：
在背电极上沉积前驱体薄膜，将前驱体薄膜在惰性气氛保护下进行高温硒化或硫化，高温硒化或硫化过程中控制压强为0.04MPa，获得铜基薄膜太阳电池吸收层。
实施例2：
一种铜基薄膜太阳电池吸收层成分的调控方法制备，包括以下步骤：
在背电极上沉积前驱体薄膜，将前驱体薄膜在惰性气氛保护下进行高温硒化或硫化，高温硒化或硫化过程中控制压强为0.07MPa，获得铜基薄膜太阳电池吸收层。
实施例3：
一种铜基薄膜太阳电池吸收层成分的调控方法制备，包括以下步骤：
在背电极上沉积前驱体薄膜，将前驱体薄膜在惰性气氛保护下进行高温硒化或硫化，高温硒化或硫化过程中控制压强为0.1MPa，获得铜基薄膜太阳电池吸收层。
实施例4：
一种铜基薄膜太阳电池吸收层成分的调控方法制备，包括以下步骤：
在背电极上沉积前驱体薄膜，将前驱体薄膜在惰性气氛保护下进行高温硒化或硫化，高温硒化或硫化过程中控制压强为0.13MPa，获得铜基薄膜太阳电池吸收层。
实施例5：
一种铜基薄膜太阳电池的制备方法，包括以下步骤：
1.在钠钙玻璃上利用磁控溅射方法沉积厚度1.2μm的Mo金属背电极。
2.通过溶胶-凝胶法在Mo金属背电极上旋涂铜锌锡硫(Cu2ZnSnS4)前驱体薄膜，然后对所述前驱体薄膜进行高温硒化处理，硒化压强为0.04MPa，形成光吸收层(Cu2ZnSn(S,Se)4,简称CZTSSe)，其厚度为1.2μm。
3.CdS缓冲层通过化学水浴沉积在所述光吸收层上，其厚度为50nm。
4.本征氧化锌(i-ZnO)层采用磁控溅射法沉积在在CdS缓冲层上，其厚度为50nm。然后，掺铝氧化锌(Al:ZnO)层采用磁控溅射法沉积在i-ZnO层上，其厚度为400nm。
5.镍铝栅线采用用电子束蒸发方法沉积在Al:ZnO层作为顶电极，其厚度为1μm。
实施例6：
一种铜基薄膜太阳电池的制备方法，包括以下步骤：
1.在钠钙玻璃上利用磁控溅射方法沉积厚度1.2μm的Mo金属背电极。
2.通过溶胶-凝胶法在Mo金属背电极上旋涂铜锌锡硫(Cu2ZnSnS4)前驱体薄膜，然后对所述前驱体薄膜进行高温硒化处理，硒化压强为0.07MPa，形成光吸收层CZTSSe，其厚度为1.2μm。
3.CdS缓冲层通过化学水浴沉积在所述光吸收层上，其厚度为50nm。
4.本征氧化锌(i-ZnO)层采用磁控溅射法沉积在在CdS缓冲层上，其厚度为50nm。然后，掺铝氧化锌(Al:ZnO)层采用磁控溅射法沉积在i-ZnO层上，其厚度为400nm。
5.镍铝栅线采用用电子束蒸发方法沉积在Al:ZnO层作为顶电极，其厚度为1μm。
实施例7：
一种铜基薄膜太阳电池的制备方法，包括以下步骤：
1.在钠钙玻璃上利用磁控溅射方法沉积厚度1.2μm的Mo金属背电极。
2.通过溶胶-凝胶法在Mo金属背电极上旋涂铜锌锡硫(Cu2ZnSnS4)前驱体薄膜，然后对所述前驱体薄膜进行高温硒化处理，硒化压强为0.1MPa，形成光吸收层CZTSSe，其厚度为1.2μm。
3.CdS缓冲层通过化学水浴沉积在所述光吸收层上，其厚度为50nm。
4.本征氧化锌(i-ZnO)层采用磁控溅射法沉积在在CdS缓冲层上，其厚度为50nm。然后，掺铝氧化锌(Al:ZnO)层采用磁控溅射法沉积在i-ZnO层上，其厚度为400nm。
5.镍铝栅线采用用电子束蒸发方法沉积在Al:ZnO层作为顶电极，其厚度为1μm。
实施例8：
一种铜基薄膜太阳电池的制备方法，包括以下步骤：
1.在钠钙玻璃上利用磁控溅射方法沉积厚度1.2μm的Mo金属背电极。
2.通过溶胶-凝胶法在Mo金属背电极上旋涂铜锌锡硫(Cu2ZnSnS4)前驱体薄膜，然后对所述前驱体薄膜进行高温硒化处理，硒化压强为0.13MPa，形成光吸收层CZTSSe，其厚度为1.2μm。
3.CdS缓冲层通过化学水浴沉积在所述光吸收层上，其厚度为50nm。
4.本征氧化锌(i-ZnO)层采用磁控溅射法沉积在在CdS缓冲层上，其厚度为50nm。然后，掺铝氧化锌(Al:ZnO)层采用磁控溅射法沉积在i-ZnO层上，其厚度为400nm。
5.镍铝栅线采用用电子束蒸发方法沉积在Al:ZnO层作为顶电极，其厚度为1μm。
以上实施例5，6，7，8中所得铜基薄膜太阳电池的结构如附图1所示。
效果验证：
检测实施例5、6、7、8对比制备得到的铜基薄膜太阳电池的效率，检测方法如下：
将制作的薄膜太阳电池进行J-V性能测试仪，如图2所示，经过硒化压强控制在0.07MPa时制备的薄膜太阳电池的开路电压达到了最优值0.496V。同时，电池的填充因子也达到了67.22％，明显高于其他控制条件。
为了探究其提升的原因，对本发明的吸收层成分进行了X射线荧光光谱(XRF)测试方法如下：
XRF测试是使用X射线照射被测表面，测试原子内层电子的特征能量。根据不同元素发射的特征X射线强度定量分析元素含量。
表1.0.04～0.13MPa压强下制备的吸收层的元素组成比。
Figure BDA0003100249600000111
如表1所示，XRF结果表明实施例1检测到了吸收层内有明显的Sn元素流失，这是造成深能级Sn缺陷的主要原因，深能级缺陷做为载流子的复合中心，导致VOC的衰减，复合实施例5结果。实施例2、3，4检测到了压力增加吸收层内Sn元素流失逐渐被抑制，这进一步说明增加的硒化压强抑制了深能级缺陷的形成。同时，实施例6中薄膜太阳电池性能最优，这说明通过压力控制，实现了一个高效薄膜太阳电池吸收层组分的合理调控。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在上面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种铜基薄膜太阳电池吸收层成分调控的方法，其特征在于，包括：
制备前驱体薄膜；
对上述前驱体薄膜在惰性气体保护下进行高温硒化或硫化形成吸收层，退火过程调控腔体内的压力，控制动力学反应的方向，减少挥发性元素损失，控制化学成分符合高效薄膜电池的化学计量。
2.根据权利要求1所述的铜基薄膜太阳电池吸收层成分调控的方法，其特征在于，所述压力控制为0.04MPa～0.13MPa。
3.根据权利要求1所述的铜基薄膜太阳电池吸收层成分调控的方法，其特征在于，所述的前驱体薄膜Zn/Sn为1.0～1.1。
4.根据权利要求1所述的铜基薄膜太阳电池吸收层成分调控的方法，其特征在于，所述吸收层薄膜表示为M12M2M3X4,其中M1是铜Cu、银Ag或其组合，M2是锌Zn、镉Cd、镁Mg、钡Ba、锰Mn或其组合，M3是锗Ge、锡Sn或其组合,X是硫S、硒Se或其组合。
5.根据权利要求1所述的铜基薄膜太阳电池吸收层成分调控的方法，其特征在于，
所述高温硒化或硫化处理是指在硒、硫或其组合气氛下进行300℃～600℃的退火，处理时间10～30min，压力为0.04MPa～0.13MPa。
6.根据权利要求1或4所述的铜基薄膜太阳电池吸收层成分调控的方法，其特征在于，所述吸收层薄膜的Zn/Sn≤1.5。
7.一种铜基薄膜太阳电池，其特征在于，包括：
衬底；
背电极，作为薄膜电池的正电级，沉积在所述衬底上；
光吸收层，其沉积在背电极上，由压力调控其挥发性组分的流失；
缓冲层，其沉积在光吸收层上；
窗口层，其沉积在所述缓冲层上；
顶电极，其沉积在所述窗口层上；
所述的光吸收层通过权利要求1-6任一项方法得到。
8.根据权利要求7所述的铜基薄膜太阳电池，其特征在于，
所述缓冲层的材料为CdS、(Cd,Zn)S、(Zn,Sn)O、Zn(O,S)或In2S3；
所述窗口层包括本征氧化锌层和掺铝氧化锌层组合或本征氧化锌层和氧化铟锡层组合；
所述顶电极的材料为镍铝合金或银。
9.根据权利要求7所述的铜基薄膜太阳电池，其特征在于，
所述背电极的厚度为0.5～2μm；
所述光吸收层的厚度为0.8～3μm；
所述缓冲层的厚度为30～80nm；
所述窗口层中的本征氧化锌层的厚度为30～100nm；
所述窗口层中的掺铝氧化锌或氧化铟锡的厚度为200～800nm；
所述顶电极的厚度为0.5～2μm。
10.一种权利要求7-9任一项所述的铜基薄膜太阳电池的制备方法，其特征在于，包括：
在所述正电极上形成光吸收层；
在所述光吸收层上形成缓冲层；
在所述缓冲层上形成窗口层；
在所述窗口层上形成顶电极；
所述的光吸收层通过权利要求1-6任一项方法得到。
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Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110303879A1 (en) * 2009-02-20 2011-12-15 Kabushiki Kaisha Toyota Chuo Kenkyusho Sulfide and photoelectric element
CN102496659A (zh) * 2011-12-30 2012-06-13 中南大学 一种铜锌锡硫薄膜材料的制备方法
TW201344944A (zh) * 2012-04-26 2013-11-01 Dong-Hau Kuo 一種利用硒化合物補償碇的高溫硒化技術應用於薄膜太陽能電池之黃錫礦與黃銅礦光吸收層之製作
CN103400895A (zh) * 2013-07-18 2013-11-20 深圳先进技术研究院 一种铜锌锡硫太阳能电池吸收层薄膜的制备方法
US20150214401A1 (en) * 2012-08-10 2015-07-30 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives ABSORBENT Cu2ZnSn(S,Se)4-BASED MATERIAL HAVING A BAND-SEPARATION GRADIENT FOR THIN-FILM PHOTOVOLTAIC APPLICATIONS
CN106409941A (zh) * 2016-07-07 2017-02-15 天津理工大学 一种铜锌锡硒太阳电池器件及其制备方法
CN106449862A (zh) * 2016-07-20 2017-02-22 中国科学院上海微***与信息技术研究所 一种铜锌锡硫薄膜的制备方法
CN109841696A (zh) * 2019-03-19 2019-06-04 深圳清华大学研究院 改性的铜锌锡硫薄膜、其制备方法及太阳能电池
CN111640808A (zh) * 2020-04-27 2020-09-08 中山大学 一种在薄膜太阳电池光吸收层硒化过程中调控MoSe2厚度的方法及其应用

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110303879A1 (en) * 2009-02-20 2011-12-15 Kabushiki Kaisha Toyota Chuo Kenkyusho Sulfide and photoelectric element
CN102496659A (zh) * 2011-12-30 2012-06-13 中南大学 一种铜锌锡硫薄膜材料的制备方法
TW201344944A (zh) * 2012-04-26 2013-11-01 Dong-Hau Kuo 一種利用硒化合物補償碇的高溫硒化技術應用於薄膜太陽能電池之黃錫礦與黃銅礦光吸收層之製作
US20150214401A1 (en) * 2012-08-10 2015-07-30 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives ABSORBENT Cu2ZnSn(S,Se)4-BASED MATERIAL HAVING A BAND-SEPARATION GRADIENT FOR THIN-FILM PHOTOVOLTAIC APPLICATIONS
CN103400895A (zh) * 2013-07-18 2013-11-20 深圳先进技术研究院 一种铜锌锡硫太阳能电池吸收层薄膜的制备方法
CN106409941A (zh) * 2016-07-07 2017-02-15 天津理工大学 一种铜锌锡硒太阳电池器件及其制备方法
CN106449862A (zh) * 2016-07-20 2017-02-22 中国科学院上海微***与信息技术研究所 一种铜锌锡硫薄膜的制备方法
CN109841696A (zh) * 2019-03-19 2019-06-04 深圳清华大学研究院 改性的铜锌锡硫薄膜、其制备方法及太阳能电池
CN111640808A (zh) * 2020-04-27 2020-09-08 中山大学 一种在薄膜太阳电池光吸收层硒化过程中调控MoSe2厚度的方法及其应用

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