專利名稱：一種無鎘銅銦鎵硒薄膜太陽能電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電材料新能源技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種無鎘銅銦鎵硒薄膜太陽能電池及其制備方法。
背景技術(shù)：
銅銦鎵硒(CIGS)太陽能電池作為最有潛力的薄膜太陽能電池之一，具有高吸收系數(shù)、帶隙可調(diào)、抗輻射能力強(qiáng)，性能穩(wěn)定、弱光性能好、成本低等優(yōu)點(diǎn)。典型結(jié)構(gòu)為多層膜結(jié)構(gòu)，從入光面開始，依次包括金屬柵極層(Al) /透明導(dǎo)電層(AZO) /窗口層(ZnO) /緩沖層(CdS) /光吸收層(CIGS) /背電極層(Mo) /玻璃，其中CIGS吸收層的制備主要采用共蒸發(fā)法或?yàn)R射后硒化法，如CN02104073和CN201110367960，這兩種方法都有工藝過程繁復(fù)，難于規(guī)?；娜秉c(diǎn)。CdS作為緩沖層一般采用化學(xué)浴沉積法，這存在著一些缺點(diǎn)(I)Cd對(duì) 人體有害，污染環(huán)境(2)化學(xué)浴沉積法屬于濕法制備方法，破壞了采用真空沉積方法制備銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的完整性。因此人們致力于干法制備無鎘銅銦鎵硒薄膜太陽能緩沖層的開發(fā)，如專利CN201110294472中用濺射法制備硫化鋅(ZnS)緩沖層取代傳統(tǒng)的水浴沉積法制備CdS緩沖層，但這個(gè)專利仍使用本征ZnO作為窗口層，工藝過程繁復(fù)，生產(chǎn)成本較聞。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種無鎘銅銦鎵硒薄膜太陽能電池及其制備方法，去除了本征ZnO窗口層，簡(jiǎn)化了工藝制備步驟，降低了生產(chǎn)成本。本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種無鎘銅銦鎵硒薄膜太陽能電池，其從上往下依次由透明導(dǎo)電層、緩沖層、光吸收層、金屬背電極層和襯底組成。所述金屬背電極層為金屬M(fèi)o層,所述光吸收層為銅銦鎵硒(CuInxGahSe2)薄膜，所述緩沖層為ZnS薄膜，所述透明導(dǎo)電層為氧化鋅摻鋁AZO薄膜。一種無鎘銅銦鎵硒薄膜太陽能電池，采用全濺射方法，包含以下制備步驟(I)在磁控濺射腔體內(nèi)安裝Mo靶、CuInxGa1^xSe2靶(O彡x彡I)、ZnS靶和AZO靶，并安裝清洗好的鈉鈣玻璃基片，然后對(duì)腔體抽真空至lX10_3Pa以下。在通入99. 999%的高純Ar氣，使用射頻電源在基片上濺射厚度為O. 5 μ m-1. 5 μ m的Mo薄膜，作為薄膜太陽能電池的背電極，濺射條件為基片溫度為25-600°C，靶基距為5-lOcm，Ar氣的流量為10-100SCCM，Mo的濺射氣壓為l_5mTorr，濺射功率為100-400W，相應(yīng)的濺射時(shí)間為20_90mino(2)制備好Mo層后，使用射頻電源在鍍有Mo的鈉鈣玻璃基片上濺射厚度為I. 5-3 μ m的CIGS薄膜，作為薄膜太陽能電池的吸收層，濺射條件為基片溫度為25_600°C，靶基距為5-10cm, Ar氣的流量為10-100SCCM，濺射氣壓為O. 5-4mTorr,濺射功率為100-400W，濺射時(shí)間為l-4h。
(3)制備好CIGS層后，使用射頻電源濺射厚度為30-100nm的ZnS薄膜，作為薄膜太陽能電池的緩沖層，濺射條件為基片溫度為25-600°C，靶基距為5-10cm，Ar氣的流量為10-100SCCM，濺射氣壓為l_5mTorr，濺射功率為100W-400W，濺射時(shí)間為2_15min。(4)制備好ZnS層后，使用射頻電源濺射厚度為500-1000nm的AZO薄膜，作為薄膜太陽能電池的透明導(dǎo)電層，濺射條件為基片溫度為25-600°C，靶基距為5-10cm，Ar氣的流量為20-100SCCM，濺射氣壓為l_4mTorr，濺射功率為100W-400W，濺射時(shí)間為10_60min。(5)最后在透明導(dǎo)電層上覆鋁金屬引線，制成太陽能電池。步驟(I)所述的AZO靶中Al2O3摻雜比例為I. 5%_3%。本發(fā)明的技術(shù)效果體現(xiàn)在現(xiàn)有技術(shù)通常認(rèn)為無鎘銅銦鎵硒薄膜太陽能電池必須包含有窗口層(本征ZnO)，這樣才能夠防止電池短路，但是其導(dǎo)致整個(gè)太陽能電池工藝過程繁復(fù)，生產(chǎn)成本較高。本·發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)的偏見，除去了典型銅銦鎵硒薄膜太陽能電池結(jié)構(gòu)中的窗口層(本征ZnO)，試驗(yàn)證明，制備得到的電池仍然能正常穩(wěn)定工作，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)化了其制備工藝，大幅度降低了成本，提聞了良品率。


圖I為本發(fā)明太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明實(shí)施案例一中所制備的無鎘銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽能電池的斷面SEM圖。圖3為本發(fā)明實(shí)施案例一中所制備的無鎘銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽能電池的I-V特性曲線圖。
具體實(shí)施例方式下面通過具體實(shí)施例和圖f 3的闡述，以進(jìn)一步說明本發(fā)明實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步，但本發(fā)明絕非僅局限于實(shí)施例。實(shí)施例一一種無鎘銅銦鎵硒薄膜太陽能電池，制備步驟如下(I)在磁控濺射腔體內(nèi)安裝Mo靶、CuIna 3Ga0.7Se2靶、ZnS靶和AZO (Al2O3摻雜比例為2%)靶，并安裝清洗好的鈉鈣玻璃基片，然后對(duì)腔體抽真空至IXlO-3Pa以下。在通入99. 999%的高純Ar氣，使用射頻電源在基片上濺射厚度為I. 2 μ m的Mo薄膜，作為薄膜太陽能電池的背電極，濺射條件為基片溫度為25°C，靶基距為9cm，Ar氣的流量為30SCCM，Mo的濺射氣壓為4mTorr，濺射功率為300W，相應(yīng)的濺射時(shí)間為60min。(2)制備好Mo層后，使用射頻電源在鍍有Mo的鈉鈣玻璃基片上濺射厚度為2 μ m的CIGS薄膜，作為薄膜太陽能電池的吸收層，濺射條件為基片溫度為350°C，靶基距為9cm，Ar氣的流量為30SCCM，濺射氣壓為lmTorr，濺射功率為200W，濺射時(shí)間為3h。(3)制備好CIGS層后，使用射頻電源濺射厚度為50nm的ZnS薄膜，作為薄膜太陽能電池的緩沖層，濺射條件為基片溫度為25°C，靶基距為9cm，Ar氣的流量為30SCCM，濺射氣壓為3. 75mTorr，濺射功率為100W，濺射時(shí)間為5min。(4)制備好ZnS層后，使用射頻電源濺射厚度為700nm的AZO薄膜，作為薄膜太陽能電池的透明導(dǎo)電層，濺射條件為基片溫度為25 °C，靶基距為9cm，Ar氣的流量為30SCCM，濺射氣壓為3mTorr，濺射功率為200W，濺射時(shí)間為35min。( 5 )最后在透明導(dǎo)電層上覆鋁金屬引線，制成太陽能電池。圖2為本實(shí)施例所制備的無鎘銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽能電池的斷面SEM照片，從圖中可看出薄膜結(jié)晶狀態(tài)良好。圖3為本實(shí)施例所制備的無鎘銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽能電池的I-V特性曲線圖，制備得到的電池開路電壓為627mV，短路電流密度為15. 6mA/cm2。填充因子為O. 37，光電轉(zhuǎn)化效率為3. 61%。實(shí)施例二(I)在磁控濺射腔體內(nèi)安裝Mo靶、CuIna2Gaa8Se2靶、ZnS靶和AZO (Al2O3摻雜比例為2%)靶，并安裝清洗好的鈉鈣玻璃基片，然后對(duì)腔體抽真空至IXlO-3Pa以下。在通入 99. 999%的高純Ar氣，使用射頻電源在基片上濺射厚度為O. 5μ m的Mo薄膜，作為薄膜太陽能電池的背電極，濺射條件為基片溫度為25°C，靶基距為10cm，Ar氣的流量為10SCCM，Mo的濺射氣壓為ITorr，濺射功率為100W，相應(yīng)的濺射時(shí)間為90min。(2)制備好Mo層后，使用射頻電源在鍍有Mo的鈉鈣玻璃基片上濺射厚度為I. 5 μ m的CIGS薄膜，作為薄膜太陽能電池的吸收層，濺射條件為基片溫度為25°C，靶基距為IOcm, Ar氣的流量為10SCCM，濺射氣壓為O. 5mTorr,濺射功率為100W，濺射時(shí)間為4h。(3)制備好CIGS層后，使用射頻電源濺射厚度為30nm的ZnS薄膜，作為薄膜太陽能電池的緩沖層，濺射條件為基片溫度為25°C，靶基距為10cm，Ar氣的流量為IOSCCMJi射氣壓為ITorr，濺射功率為100W，濺射時(shí)間為15min。(4)制備好ZnS層后，使用射頻電源濺射厚度為500nm的AZO薄膜，作為薄膜太陽能電池的透明導(dǎo)電層，濺射條件為基片溫度為25°C，靶基距為10cm，Ar氣的流量為10SCCM，濺射氣壓為lmTorr，濺射功率為100W，濺射時(shí)間為60min。( 5 )最后在透明導(dǎo)電層上覆鋁金屬引線，制成太陽能電池。實(shí)施例三(I)在磁控濺射腔體內(nèi)安裝Mo靶、CuIna4Gaa6Se2靶、ZnS靶和AZO (Al2O3摻雜比例為2%)靶，并安裝清洗好的鈉鈣玻璃基片，然后對(duì)腔體抽真空至IXlO-3Pa以下。在通入99. 999%的高純Ar氣，使用射頻電源在基片上濺射厚度為I. 5 μ m的Mo薄膜，作為薄膜太陽能電池的背電極，濺射條件為基片溫度為600°C，靶基距為5cm，Ar氣的流量為100SCCM，Mo的濺射氣壓為5mTorr，濺射功率為400W，相應(yīng)的濺射時(shí)間為20min。(2)制備好Mo層后，使用射頻電源在鍍有Mo的鈉鈣玻璃基片上濺射厚度為3 μ m的CIGS薄膜，作為薄膜太陽能電池的吸收層，濺射條件為基片溫度為600°C，靶基距為5cm，Ar氣的流量為100SCCM，濺射氣壓為4mTorr，濺射功率為400W，濺射時(shí)間為lh。(3)制備好CIGS層后，使用射頻電源濺射厚度為IOOnm的ZnS薄膜，作為薄膜太陽能電池的緩沖層，濺射條件為基片溫度為600°C，靶基距為10cm，Ar氣的流量為100SCCM，濺射氣壓為5mTorr，濺射功率為400W，濺射時(shí)間為15min。(4)制備好ZnS層后，使用射頻電源濺射厚度為IOOOnm的AZO薄膜，作為薄膜太陽能電池的透明導(dǎo)電層，濺射條件為基片溫度為600°C，靶基距為10cm，Ar氣的流量為100SCCM，濺射氣壓為4mTorr，濺射功率為400W，濺射時(shí)間為lOmin。( 5 )最后在透明導(dǎo)電層上覆鋁金屬引線，制成太陽能電池。
上述實(shí)施例僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施方式，詳細(xì)說明了本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思和實(shí)施要 點(diǎn)，并非對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍進(jìn)行限制，凡根據(jù)本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)所做的任何簡(jiǎn)單修改及等效結(jié)構(gòu)變換或修飾，均涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種無鎘銅銦鎵硒薄膜太陽能電池，其特征在于，其從上往下依次由透明導(dǎo)電層、緩沖層、光吸收層、金屬背電極層和襯底組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無鎘銅銦鎵硒薄膜太陽能電池，其特征在于，所述金屬背電極層為金屬M(fèi)o層，所述光吸收層為銅銦鎵硒薄膜，所述緩沖層為ZnS薄膜，所述透明導(dǎo)電層為氧化鋅摻鋁AZO薄膜。
3.制備權(quán)利要求I或2所述無鎘銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的方法，具體為 (1)在磁控濺射腔體內(nèi)安裝Mo靶、CuInxGahSe2靶、ZnS靶和AZO祀，并安裝清洗好的鈉鈣玻璃基片，O < X < I ; (2)對(duì)磁控濺射腔體抽真空，通入Ar氣，在鈉鈣玻璃基片上使用Mo靶濺射Mo薄膜，作為薄膜太陽能電池的金屬背電極； (3)在鍍有Mo薄膜的鈉鈣玻璃基片上使用CuInxGahSe2靶濺射CIGS薄膜，作為薄膜太陽能電池的光吸收層； (4)制備好光吸收層后，使用ZnS靶濺射ZnS薄膜，作為薄膜太陽能電池的緩沖層； (5)制備好緩沖層后，使用AZO靶濺射AZO薄膜，作為薄膜太陽能電池的透明導(dǎo)電層。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種無鎘銅銦鎵硒薄膜太陽能電池，采用金屬柵極層/透明電極層/緩沖層/光吸收層/背電極層/襯底的結(jié)構(gòu),去除了銅銦鎵硒薄膜太陽能典型結(jié)構(gòu)中的本征ZnO窗口層，。本發(fā)明還提供了上述電池的全濺射制備方法。本發(fā)明去除了本征ZnO窗口層，簡(jiǎn)化了工藝制備步驟，降低了生產(chǎn)成本。
文檔編號(hào)H01L31/18GK102903766SQ20121039049
公開日2013年1月30日 申請(qǐng)日期2012年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月12日
發(fā)明者繆向水, 向君, 黃醒 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)