一種后摻鈉銅銦鎵硒太陽電池器件及其制備方法
【專利摘要】一種后摻鈉銅銦鎵硒太陽電池器件及其制備方法，為基于聚酰亞胺膜?蘇打玻璃復(fù)合襯底的銅銦鎵硒太陽電池，由玻璃、聚酰亞胺、鉬背接觸層、銅銦鎵硒、硫化鎘、透明窗口層高阻本征氧化鋅薄膜和低阻氧化鋅鋁薄膜、銀上電極組成并形成疊層結(jié)構(gòu)，其制備方法是：首先將聚酰亞胺膠涂于玻璃表面，固化成聚酰亞胺膜?蘇打玻璃復(fù)合襯底，然后依次在其表面依次制備各層薄膜，在完整的銅銦鎵硒太陽電池制備完成后，將其與蘇打玻璃襯底分離，得到以聚酰亞胺膜為襯底的柔性銅銦鎵硒太陽電池。優(yōu)點(diǎn)：該種基于聚酰亞胺膜?蘇打玻璃復(fù)合襯底的銅銦鎵硒薄膜結(jié)晶晶粒大；其制備方法是以鋼性襯底制備柔性電池，易于實(shí)施，有利于大規(guī)模的推廣應(yīng)用。
【專利說明】
一種后摻鈉銅銦鎵砸太陽電池器件及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及薄膜太陽電池技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于聚酰亞胺膜-蘇打玻璃復(fù)合襯底的后摻鈉銅銦鎵砸太陽電池器件及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]銅銦鎵砸材料(CIGS)屬于1-1I1-VI族四元化合物半導(dǎo)體，具有黃銅礦的晶體結(jié)構(gòu)。銅銦鎵砸薄膜太能電池自20世紀(jì)70年代出現(xiàn)以來，得到非常迅速的發(fā)展，并將逐步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。此電池有以下特點(diǎn):1)銅銦鎵砸的禁帶寬度可以在1.04eV-1.67eV范圍內(nèi)調(diào)整;2)銅銦鎵砸是一種直接帶隙半導(dǎo)體，對(duì)可見光的吸收系數(shù)高達(dá)15Cnf1,銅銦鎵砸吸收層厚度只需1.5-2.5μηι，整個(gè)電池的厚度為3-4μηι; 3)抗福照能力強(qiáng)，比較適合作為空間電源;4)轉(zhuǎn)換效率高，2014年德國(guó)太陽能和氫能研究中心(ZSW)研制的小面積銅銦鎵砸太陽電池轉(zhuǎn)換效率已高達(dá)21.7% ;5)弱光特性好。因此銅銦鎵砸多晶薄膜太陽電池有望成為下一代太陽電池的主流產(chǎn)品之一。
[0003]航空航天領(lǐng)域需要太陽電池有較高的質(zhì)量比功率，即希望單位質(zhì)量的太陽電池能發(fā)出更多的電量。對(duì)于地面光伏建筑物的曲面造型和移動(dòng)式的光伏電站等要求太陽電池具有柔性、可折疊性和不怕摔碰，這就促進(jìn)了柔性太陽電池的發(fā)展。由于相對(duì)較強(qiáng)的耐高溫能力和較為適合的彭脹系數(shù)，聚酰亞胺(PI)在其中脫穎而出。
[0004]CIGS薄膜中摻入0.1%的Na可使CIGS太陽電池性能提高30?50%，在傳統(tǒng)Na-Ca玻璃(SLG)襯底CIGS太陽電池制備中，Na可由襯底向CIGS吸收層自發(fā)擴(kuò)散而實(shí)現(xiàn)Na的摻入。但是，由于PI襯底不含Na，因此在制備中必須加入Na摻入工藝，改善CIGS薄膜的性能，進(jìn)一步提高柔性PI襯底CIGS薄膜太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對(duì)上述存在問題，提供了一種后摻鈉銅銦鎵砸太陽電池器件及其制備方法，該太陽電池器件為基于聚酰亞胺膜-蘇打玻璃復(fù)合襯底的銅銦鎵砸太陽電池，其以鋼性襯底制備柔性電池，基于聚酰亞胺膜-蘇打玻璃復(fù)合襯底的銅銦鎵砸薄膜結(jié)晶質(zhì)量好，晶粒大，缺陷少。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案:
[0007]—種后摻鈉銅銦鎵砸太陽電池器件，為基于聚酰亞胺膜-蘇打玻璃復(fù)合襯底的銅銦鎵砸太陽電池，由玻璃、聚酰亞胺、鉬背接觸層、銅銦鎵砸吸收層、硫化鎘緩沖層、透明窗口層高阻本征氧化鋅薄膜、透明窗口層低阻氧化鋅鋁薄膜和銀上電極組成并形成疊層結(jié)構(gòu)，其中襯底由蘇打玻璃及生長(zhǎng)于其表面的聚酰亞胺膜構(gòu)成，蘇打玻璃的厚度為1.5-2mm，聚酰亞胺膜厚度為25_30μπι;鉬背接觸層包括高阻層薄膜和低阻層薄膜，其中高阻層薄膜的厚度為80-120nm，低阻層薄膜的厚度為600-700nm;銅鋼鎵砸吸收層的化學(xué)分子式為Culm-\GaxSe2，式中X為0.25-0.35，導(dǎo)電類型為P型，薄膜厚度為1.5-2μπι;硫化鎘緩沖層的的導(dǎo)電類型為η型，厚度為45-50nm;透明窗口層包括高阻本征氧化鋅薄膜和低阻氧化鋅鋁薄膜，導(dǎo)電類型為η型，本征氧化鋅薄膜的厚度為50-100nm，氧化鋅招薄膜的厚度為0.4-0.6m;銀上電極薄膜的厚度為0.8-1.5μπι。
[0008]一種所述后摻鈉銅銦鎵砸太陽電池器件的制備方法，首先將聚酰亞胺膠涂于蘇打玻璃表面，固化成聚酰亞胺膜-蘇打玻璃復(fù)合襯底，其次在其表面依次制備鉬背接觸層、銅銅嫁砸吸收層、硫化錦緩沖層、透明窗口層和上電極，在完整的銅銅嫁砸太陽電池制備完成后，將其與蘇打玻璃襯底分離，得到以聚酰亞胺膜為襯底的柔性銅銦鎵砸太陽電池。
[0009]所述聚酰亞胺膜-蘇打玻璃復(fù)合襯底的制備方法，步驟如下:
[0010]I)對(duì)蘇打玻璃進(jìn)行表面清洗，清洗方法是:
[0011]首先將1cmX1cm的蘇打玻璃放入重鉻酸鉀溶液中浸泡2h，重鉻酸鉀溶液由300克重鉻酸鉀、3升濃硫酸和300毫升去離子水配置而成，將蘇打玻璃取出用去離子水沖洗后置于濃度為99.5w%的丙酮溶液中，放入超聲波清洗機(jī)中清洗，超聲波頻率為20-30kHz，時(shí)間為20-25min，然后將蘇打玻璃從丙酮溶液中取出，用去離子水沖洗后置于濃度為99.7w%的酒精中，放入超聲波清洗機(jī)中清洗超聲波頻率為20-30kHz，時(shí)間為20-25min，最后將蘇打玻璃從酒精中取出，放入盛有去離子水的燒杯中，放入超聲波清洗機(jī)中清洗3遍，超聲波頻率為 20-30kHz，時(shí)間為 20-25min ；
[0012]2)將聚酰亞胺膠涂覆于蘇打玻璃表面，采用勻膠工藝進(jìn)行勻膠，工藝參數(shù)為:轉(zhuǎn)速為 1300-1500r/min，時(shí)間為 35-45s;
[0013]3)將勻膠后的樣品放入烘箱內(nèi)進(jìn)行固化，即可得到聚酰亞胺膜-蘇打玻璃復(fù)合襯底，所述固化工藝的升溫保溫程序?yàn)?烘箱溫度升溫至125-135°C，升溫時(shí)間為10-15min，并在125-135 °C下維持25-30min;將烘箱溫度升溫至150-160 °C，升溫時(shí)間為5-10min，并在150-160°C下維持10-15min;將烘箱溫度升溫至200-210°C，升溫時(shí)間為5-10min，并在200-210°C下維持15-20min ；將烘箱溫度升溫至250-260 V，升溫時(shí)間為5_10min，并在250-260°C下維持15-20min;將烘箱溫度升溫至340-350°C，升溫時(shí)間為5-10min，并在340-350°C下維持10-15min，然后緩慢降溫至18-25°C，即可得到聚酰亞胺膜-蘇打玻璃復(fù)合襯底。。
[0014]所述鉬背接觸層薄膜的制備方法，采用直流磁控濺射系統(tǒng)制備，將待制備樣品置于直流磁控濺射沉積系統(tǒng)的沉積室中，以純度為99.99%的鉬為靶材，采用射頻磁控濺射工藝在襯底表面依次分別沉積高阻鉬薄膜和低阻鉬薄膜，其中:
[0015]I)沉積高阻鉬薄膜工藝參數(shù)為:本底真空3.0 X 10—4Pa，工作氣壓l_2Pa，襯底溫度25-50°C，射頻功率500-700W，Ar氣流量30-50sccm，基靶行走速度4-6mm/s，沉積時(shí)間以基靶的往復(fù)次數(shù)計(jì)為2-4次；
[0016]2)沉積低阻薄膜的工藝參數(shù)為:本底真空3.0 X 10—4Pa，工作氣壓為0_0.5Pa，襯底溫度為室溫25-50°C，射頻功率為1500-2000W，Ar氣流量為15-20sccm，基靶行走速度為4-6mm/s，沉積時(shí)間以基革E的往復(fù)次數(shù)計(jì)為4-6次。
[0017]所述摻鈉銅銦鎵砸吸收層薄膜的制備方法，采用砸化爐薄膜制備系統(tǒng)和改進(jìn)的共蒸發(fā)三步法制備工藝，步驟如下:
[0018]I)將待制備樣品置于共蒸發(fā)系統(tǒng)中，在本底真空為3.0 X 10—4Pa、襯底溫度為550-595°C下，共蒸發(fā)In、Ga、Se預(yù)置層，其中In蒸發(fā)源溫度為860-875°C，Ga蒸發(fā)源溫度為920-935 °C，Se蒸發(fā)源溫度為520-535 °C，蒸發(fā)時(shí)間為5-15min;
[0019]2)在襯底溫度為550-595°(:下，共蒸發(fā)111、6&、(:11、56，其中111蒸發(fā)源溫度為860-875°C，Ga蒸發(fā)源溫度為920-935°C，Cu蒸發(fā)源溫度為1160-1175°C，Se蒸發(fā)源溫度為520_535°C，蒸發(fā)時(shí)間為15_20min;
[0020]3)在襯底溫度保持步驟2)的溫度不變條件下，蒸發(fā)Cu、Se，其中Cu蒸發(fā)源溫度為1160-1175°C，Se蒸發(fā)源溫度為520-535°C，蒸發(fā)時(shí)間為3-6min，得到稍微富Cu的銅銦鎵砸P型黃銅礦結(jié)構(gòu)；
[0021]4)保持襯底溫度同2)、3)不變，共蒸發(fā)111、6&、56，其中111蒸發(fā)源溫度為860-875°(:，Ga蒸發(fā)源溫度為920-940 °C，Se蒸發(fā)源溫度為520-535 °C，蒸發(fā)時(shí)間為3-15min，控制Cu/(In+Ga)的原子比例為0.88-0.92 ；
[0022]5)將襯底溫度降至450°C，蒸發(fā)NaF、Se，NaF蒸發(fā)源溫度為770_820°C，蒸發(fā)時(shí)間為2_15min;
[0023]6)將襯底冷卻至18_25°C即可。
[0024]所述硫化鎘緩沖層的制備方法，采用化學(xué)水浴法制備工藝，步驟如下:
[0025]I)制備反應(yīng)液:首先配置濃度為0.0lmol/L硫脲溶液1L，配置醋酸鎘和醋酸氨混合溶液IL，其中醋酸鎘溶液濃度為0.00 lmol/L，醋酸氨溶液濃度為0.003mol/L，氨水溶液濃度為1.3 X 10—3mol/L，然后將硫脲溶液25mL、醋酸鎘和醋酸氨混合溶液25mL和氨水溶液4滴混合并攪拌均勻，制得反應(yīng)液；
[0026]2)將反應(yīng)液加入放有樣品的燒杯中并將燒杯放入水浴鍋內(nèi)，水浴溫度設(shè)置為75-80 0C，反應(yīng)時(shí)間為15-20min;
[0027]3)反應(yīng)完成后，用去離子水沖洗干凈殘留于樣品硫化鎘緩沖層表面的未反應(yīng)成膜的硫化鎘顆粒即可。
[0028]所述透明窗口層的高阻本征氧化鋅薄膜和低阻氧化鋅鋁薄膜的制備方法，采用射頻磁控濺射系統(tǒng)制備，步驟如下:
[0029]I)高阻本征氧化鋅薄膜的制備
[0030]將待制備樣品置于射頻磁控濺射沉積系統(tǒng)的沉積室中，以純度為99.99%的1-ZnO為靶材，采用射頻磁控濺射工藝在襯底表面沉積本征氧化鋅薄膜，工藝參數(shù)為:本底真空3.0X 10—4Pa，襯底溫度25-50 °C，射頻功率400W，Ar氣流量80sccm，O2氣流量I sccm，濺射時(shí)間為13min;
[0031]2)低阻氧化鋅鋁薄膜的制備
[0032]將待制備樣品置于在射頻磁控濺射沉積系統(tǒng)的沉積室中，以純度為99.99%的ZnO:Al為靶材，采用射頻磁控濺射工藝在襯底表面沉積ZnO: Al薄膜，工藝參數(shù)為:本底真空3.0X 10—4Pa，襯底溫度100-120°C，射頻功率500W，Ar氣流量70sccm，濺射時(shí)間為10min。
[0033]所述銀上電極的制備方法，采用絲網(wǎng)印刷的方法制備，步驟如下:
[0034]I)將待制備樣品置于真空吸附平臺(tái)上，使待制樣品保持平整狀態(tài)，選擇相應(yīng)掩膜板懸架于待制樣品上方，調(diào)整掩膜板位置，鋪平銀漿，開始印刷。
[0035]2)印刷完成后取下掩膜板，將制備好的樣品置于固化裝置當(dāng)中，使其在相應(yīng)工藝溫度下完全固化，取出即可。
[0036]本發(fā)明的技術(shù)原理分析:
[0037]為了滿足制備結(jié)晶質(zhì)量較好、晶粒較大、缺陷較少的銅銦鎵砸柔性薄膜太陽電池的要求，必須選用襯底柔軟、輕便、熱膨脹系數(shù)與銅銦鎵砸薄膜較為匹配的襯底。聚酰亞胺膜-蘇打玻璃復(fù)合襯底可以依托蘇打玻璃與銅銦鎵砸吸收層薄膜熱膨脹系數(shù)較為接近的特點(diǎn)，在復(fù)合襯底上制備銅銦鎵砸薄膜太陽電池。之后再將薄膜太陽電池以聚酰亞胺為襯底從蘇打玻璃表面分離，得到柔性銅銦鎵砸薄膜太陽電池，實(shí)現(xiàn)以鋼性襯底制備柔性太陽電池的設(shè)計(jì)。
[0038]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:該種基于聚酰亞胺膜-蘇打玻璃復(fù)合襯底的后摻鈉CIGS太陽電池吸收層薄膜結(jié)晶質(zhì)量好、晶粒大、缺陷少，同時(shí)摻鈉降低了 GIGS薄膜的電阻率和提高載流子濃度，改善了其電學(xué)性質(zhì)。利用鋼性襯底制備柔性太陽電池;其制備方法簡(jiǎn)單、易于實(shí)施，有利于大規(guī)模的推廣應(yīng)用，尤其在太空及特殊場(chǎng)合中具有極其重要的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0039]附圖為該銅銦鎵砸太陽電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0040]為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明方案，下面結(jié)合附圖和實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0041 ] 實(shí)施例1:
[0042]一種銅銦鎵砸太陽電池器件，為基于聚酰亞胺膜-蘇打玻璃復(fù)合襯底的銅銦鎵砸太陽電池，如圖1所示，由玻璃、聚酰亞胺、鉬背接觸層、銅銦鎵砸吸收層、硫化鎘緩沖層、透明窗口層高阻本征氧化鋅薄膜、透明窗口層低阻氧化鋅鋁薄膜和銀上電極組成并形成疊層結(jié)構(gòu)，其中襯底由蘇打玻璃及生長(zhǎng)于其表面的聚酰亞胺膜構(gòu)成，蘇打玻璃的厚度為2mm，聚酰亞胺膜厚度為25μπι;鉬背接觸層包括高阻層薄膜和低阻層薄膜，其中高阻層薄膜的厚度為lOOnm，低阻層薄膜的厚度為600nm;銅銦鎵砸吸收層的化學(xué)分子式為Culm-xGaxSe2，式中X為0.3，導(dǎo)電類型為P型，薄膜厚度為1.5μπι;硫化鎘緩沖層的的導(dǎo)電類型為η型，厚度為45nm;透明窗口層包括高阻本征氧化鋅薄膜和低阻氧化鋅鋁薄膜，導(dǎo)電類型為η型，本征氧化鋅薄膜的厚度為70nm，氧化鋅鋁薄膜的厚度為0.6μπι;銀上電極薄膜的厚度為Ιμπι。
[0043]所述銅銦鎵砸太陽電池器件的制備方法，首先將聚酰亞胺膠涂于蘇打玻璃表面，固化成聚酰亞胺膜-蘇打玻璃復(fù)合襯底，其次在其表面依次制備鉬背接觸層、銅銦鎵砸吸收層、硫化鎘緩沖層、透明窗口層和上電極，在完整的銅銦鎵砸太陽電池制備完成后，將其與蘇打玻璃襯底分離，得到以聚酰亞胺膜為襯底的柔性銅銦鎵砸太陽電池。
[0044]所述聚酰亞胺膜-蘇打玻璃復(fù)合襯底的制備方法，步驟如下:
[0045]I)對(duì)蘇打玻璃進(jìn)行表面清洗，清洗方法是:
[0046]首先將1cmX1cm的蘇打玻璃放入重鉻酸鉀溶液中浸泡2h，重鉻酸鉀溶液由300克重鉻酸鉀、3升濃硫酸和300毫升去離子水配置而成，將蘇打玻璃取出用去離子水沖洗后置于濃度為99.5w%的丙酮溶液中，放入超聲波清洗機(jī)中清洗，超聲波頻率為20kHz，時(shí)間為25min，然后將蘇打玻璃從丙酮溶液中取出，用去離子水沖洗后置于濃度為99.7w%的酒精中，放入超聲波清洗機(jī)中清洗超聲波頻率為20kHz，時(shí)間為25min，最后將蘇打玻璃從酒精中取出，放入盛有去離子水的燒杯中，放入超聲波清洗機(jī)中清洗3遍，超聲波頻率為20kHz，時(shí)間為25min;
[0047]2)將聚酰亞胺膠涂覆于蘇打玻璃表面，采用勻膠工藝進(jìn)行勻膠，工藝參數(shù)為:轉(zhuǎn)速為 1300r/min，時(shí)間為45s;
[0048]3)將勻膠后的樣品放入烘箱內(nèi)進(jìn)行固化，即可得到聚酰亞胺膜-蘇打玻璃復(fù)合襯底，所述固化工藝的升溫保溫程序?yàn)?烘箱溫度升溫至125°C，升溫時(shí)間為15min，并在125°C下維持30min;將烘箱溫度升溫至150°C，升溫時(shí)間為5min，并在150°C下維持15min;將烘箱溫度升溫至2000C，升溫時(shí)間為5min，并在200 °C下維持20min;將烘箱溫度升溫至250 °C，升溫時(shí)間為5min，并在250°C下維持20min;將烘箱溫度升溫至350°C，升溫時(shí)間為lOmin，并在350°C下維持lOmin，然后緩慢降溫至22°C，即可得到聚酰亞胺膜-蘇打玻璃復(fù)合襯底。
[0049]所述鉬背接觸層薄膜的制備方法，采用直流磁控濺射系統(tǒng)制備，將待制備樣品置于直流磁控濺射沉積系統(tǒng)的沉積室中，以純度為99.99%的鉬為靶材，采用射頻磁控濺射工藝在襯底表面依次分別沉積高阻鉬薄膜和低阻鉬薄膜，其中:
[0050]I)沉積高阻鉬薄膜工藝參數(shù)為:本底真空3.0 X 10—4Pa，工作氣壓IPa，襯底溫度250C，射頻功率600W，Ar氣流量40SCCm，基靶行走速度4mm/s，沉積時(shí)間以基靶的往復(fù)次數(shù)計(jì)為2次；
[0051]2)沉積低阻薄膜的工藝參數(shù)為:本底真空3.0X 10—4Pa,工作氣壓為0.1Pa，襯底溫度為25°C，射頻功率為1500W，Ar氣流量為15sccm，基靶行走速度為4mm/s，沉積時(shí)間以基靶的往復(fù)次數(shù)計(jì)為6次。
[0052]所述銅銦鎵砸吸收層薄膜的制備方法，采用砸化爐薄膜制備系統(tǒng)和改進(jìn)后的共蒸發(fā)三步法制備工藝，步驟如下:
[0053]I)將待制備樣品置于共蒸發(fā)系統(tǒng)中，在本底真空為3.0X 10—4Pa、襯底溫度為550°C下，共蒸發(fā)In、Ga、Se預(yù)置層，其中In蒸發(fā)源溫度為860°C，Ga蒸發(fā)源溫度為920°C，Se蒸發(fā)源溫度為520°C，蒸發(fā)時(shí)間為1min;
[0054]2)在襯底溫度為550°C下，共蒸發(fā)In、Ga、Cu、Se，其中In蒸發(fā)源溫度為860°C，Ga蒸發(fā)源溫度為920°C，Cu蒸發(fā)源溫度為1160°C，Se蒸發(fā)源溫度為520°C，蒸發(fā)時(shí)間為ISmin;
[0055]3)在襯底溫度保持步驟2)的溫度不變條件下，蒸發(fā)Cu、Se，其中Cu蒸發(fā)源溫度為1160°(:，36蒸發(fā)源溫度為520°(:，蒸發(fā)時(shí)間為61^11，得到稍微富01的銅銦鎵砸？型黃銅礦結(jié)構(gòu)；
[0056]4)保持襯底溫度同2)、3)不變，共蒸發(fā)In、Ga、Se，其中In蒸發(fā)源溫度為860°C，Ga蒸發(fā)源溫度為920°C，Se蒸發(fā)源溫度為520°C，蒸發(fā)時(shí)間為15min，控制Cu/(In+Ga)的原子比例為0.88-0.92;
[0057]5)將襯底溫度降至450°C，蒸發(fā)NaF、Se，NaF蒸發(fā)源溫度為770°C，蒸發(fā)時(shí)間為15min；
[0058]6)將襯底冷卻至18_25°C即可。
[0059]所述硫化鎘緩沖層的制備方法，采用化學(xué)水浴法制備工藝，步驟如下:
[0060]I)制備反應(yīng)液:首先配置濃度為0.0lmol/L硫脲溶液1L，配置醋酸鎘和醋酸氨混合溶液IL，其中醋酸鎘溶液濃度為0.00 lmol/L，醋酸氨溶液濃度為0.003mol/L，氨水溶液濃度為1.3 X 10—3mol/L，然后將硫脲溶液25mL、醋酸鎘和醋酸氨混合溶液25mL和氨水溶液4滴混合并攪拌均勻，制得反應(yīng)液；
[0061]2)將反應(yīng)液放入燒杯中并將燒杯放入水浴鍋內(nèi)，水浴溫度設(shè)置為75 °C，反應(yīng)時(shí)間為20min;
[0062]3)反應(yīng)完成后，用去離子水沖洗干凈殘留于樣品硫化鎘緩沖層表面的未反應(yīng)成膜的硫化鎘顆粒即可。
[0063]所述透明窗口層的高阻本征氧化鋅薄膜和低阻氧化鋅鋁薄膜的制備方法，采用射頻磁控濺射系統(tǒng)制備，步驟如下:
[0064]I)高阻本征氧化鋅薄膜的制備
[0065]將待制備樣品置于射頻磁控濺射沉積系統(tǒng)的沉積室中，以純度為99.99%的丨-2110為靶材，采用射頻磁控濺射工藝在襯底表面沉積本征氧化鋅薄膜，工藝參數(shù)為:本底真空3.0X 10—4Pa，襯底溫度25 °C，射頻功率400W，Ar氣流量80sccm，O2氣流量I sccm，濺射時(shí)間為13min；
[0066]2)低阻氧化鋅鋁薄膜的制備
[0067]將待制備樣品置于在射頻磁控濺射沉積系統(tǒng)的沉積室中，以純度為99.99%的ZnO:Al為靶材，采用射頻磁控濺射工藝在襯底表面沉積ZnO: Al薄膜，工藝參數(shù)為:本底真空3.0X I O—4Pa，襯底溫度100 0C，射頻功率500W，Ar氣流量70sccm，濺射時(shí)間為10min。
[0068]所述銀上電極的制備方法，采用絲網(wǎng)印刷的方法制備，步驟如下:
[0069]I)將待制備樣品置于真空吸附平臺(tái)上，使待制樣品保持平整狀態(tài)，選擇相應(yīng)掩膜板懸架于待制樣品上方，調(diào)整掩膜板位置，鋪平銀漿，開始印刷。
[0070]2)印刷完成后取下掩膜板，將制備好的樣品置于固化裝置當(dāng)中，使其在相應(yīng)工藝溫度下完全固化，取出即可。
[0071]通過測(cè)試表明，所制備的銅銦鎵砸太陽電池器件可以形成良好的PN結(jié)，產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)，在太陽光照射下可以產(chǎn)生電能。
[0072]實(shí)施例2:
[0073]—種摻鈉銅銦鎵砸太陽電池器件，為基于聚酰亞胺膜-蘇打玻璃復(fù)合襯底的銅銦鎵砸太陽電池，如圖1所示，由玻璃、聚酰亞胺、鉬背接觸層、銅銦鎵砸吸收層、硫化鎘緩沖層、透明窗口層高阻本征氧化鋅薄膜、透明窗口層低阻氧化鋅鋁薄膜和銀上電極組成并形成疊層結(jié)構(gòu)，其中襯底由蘇打玻璃及生長(zhǎng)于其表面的聚酰亞胺膜構(gòu)成，蘇打玻璃的厚度為2mm，聚酰亞胺膜厚度為30μπι;鉬背接觸層包括高阻層薄膜和低阻層薄膜，其中高阻層薄膜的厚度為lOOnm，低阻層薄膜的厚度為700nm;銅銦鎵砸吸收層的化學(xué)分子式為Culn-xGaxSe2，式中X為0.28，導(dǎo)電類型為P型，薄膜厚度為1.8μηι;硫化錦緩沖層的的導(dǎo)電類型為η型，厚度為50nm;透明窗口層包括高阻本征氧化鋅薄膜和低阻氧化鋅鋁薄膜，導(dǎo)電類型為η型，本征氧化鋅薄膜的厚度為80nm，氧化鋅鋁薄膜的厚度為0.5μπι;銀上電極薄膜的厚度為
1.2μπι0
[0074]所述銅銦鎵砸太陽電池器件的制備方法，與實(shí)施例1相同。
[0075]所述聚酰亞胺膜-蘇打玻璃復(fù)合襯底的制備方法，步驟如下:
[0076]I)對(duì)蘇打玻璃進(jìn)行表面清洗，清洗方法是:
[0077]首先將1cmX1cm的蘇打玻璃放入重鉻酸鉀溶液中浸泡2h，重鉻酸鉀溶液由300克重鉻酸鉀、3升濃硫酸和300毫升去離子水配置而成，將蘇打玻璃取出用去離子水沖洗后置于濃度為99.5w%的丙酮溶液中，放入超聲波清洗機(jī)中清洗，超聲波頻率為30kHz，時(shí)間為20min，然后將蘇打玻璃從丙酮溶液中取出，用去離子水沖洗后置于濃度為99.7w%的酒精中，放入超聲波清洗機(jī)中清洗超聲波頻率為30kHz，時(shí)間為20min，最后將蘇打玻璃從酒精中取出，放入盛有去離子水的燒杯中，放入超聲波清洗機(jī)中清洗3遍，超聲波頻率為30kHz，時(shí)間為20min;
[0078]2)將聚酰亞胺膠涂覆于蘇打玻璃表面，采用勻膠工藝進(jìn)行勻膠，工藝參數(shù)為:轉(zhuǎn)速為 1400r/min，時(shí)間為40s ；
[0079]3)將勻膠后的樣品放入烘箱內(nèi)進(jìn)行固化，即可得到聚酰亞胺膜-蘇打玻璃復(fù)合襯底，所述固化工藝的升溫保溫程序?yàn)?烘箱溫度升溫至130°C，升溫時(shí)間為20min，并在130°C下維持25min ；將烘箱溫度升溫至160 V，升溫時(shí)間為1min，并在160°C下維持1min ；將烘箱溫度升溫至210°C，升溫時(shí)間為1min，并在210°C下維持20min;將烘箱溫度升溫至260°C，升溫時(shí)間為1min，并在260°C下維持20min ；將烘箱溫度升溫至345°C，升溫時(shí)間為1min，并在345°C下維持15min，然后緩慢降溫至22°C，即可得到聚酰亞胺膜-蘇打玻璃復(fù)合襯底。
[0080]所述鉬背接觸層薄膜的制備方法，采用直流磁控濺射系統(tǒng)制備，將待制備樣品置于直流磁控濺射沉積系統(tǒng)的沉積室中，以純度為99.99%的鉬為靶材，采用射頻磁控濺射工藝在襯底表面依次分別沉積高阻鉬薄膜和低阻鉬薄膜，其中:
[0081 ] I)沉積高阻鉬薄膜工藝參數(shù)為:本底真空3.0 X 10—4Pa，工作氣壓1.5Pa，襯底溫度250C，射頻功率700W，Ar氣流量50sccm，基靶行走速度5mm/s，沉積時(shí)間以基靶的往復(fù)次數(shù)計(jì)為4次；
[0082]2)沉積低阻薄膜的工藝參數(shù)為:本底真空3.0 X 10—4Pa，工作氣壓為0.5Pa，襯底溫度為25°C，射頻功率為1800W，Ar氣流量為20sccm，基靶行走速度為6mm/s，沉積時(shí)間以基靶的往復(fù)次數(shù)計(jì)為6次。
[0083]所述銅銦鎵砸吸收層薄膜的制備方法，采用砸化爐薄膜制備系統(tǒng)和共蒸發(fā)三步法制備工藝，步驟如下:
[0084]I)將待制備樣品置于共蒸發(fā)系統(tǒng)中，在本底真空為3.0X 10—4Pa、襯底溫度為580°C下，共蒸發(fā)In、Ga、Se頂置層，其中In蒸發(fā)源溫度為875°C.Ga蒸發(fā)源溫度為935°C，Se蒸發(fā)源溫度為530°C，蒸發(fā)時(shí)間為5min;
[0085]2)在襯底溫度為580°C下，共蒸發(fā)In、Ga、Cu、Se，其中In蒸發(fā)源溫度為875°C，Ga蒸發(fā)源溫度為935°C，Cu蒸發(fā)源溫度為1170°C，Se蒸發(fā)源溫度為530°C，蒸發(fā)時(shí)間為18min;
[0086]3)在襯底溫度保持步驟2)的溫度不變條件下，蒸發(fā)Cu、Se，其中Cu蒸發(fā)源溫度為1170°(:，36蒸發(fā)源溫度為530°(:，蒸發(fā)時(shí)間為61^11，得到稍微富01的銅銦鎵砸？型黃銅礦結(jié)構(gòu)；
[0087]4)保持襯底溫度同2)、3)不變，共蒸發(fā)In、Ga、Se，其中In蒸發(fā)源溫度為875°C，Ga蒸發(fā)源溫度為935°C，Se蒸發(fā)源溫度為530°C，蒸發(fā)時(shí)間為7min，控制Cu/(In+Ga)的原子比例為0.88—0.92；
[0088]5)將襯底溫度降至450°C，蒸發(fā)NaF、Se，NaF蒸發(fā)源溫度為770°C，蒸發(fā)時(shí)間為15min；
[0089]6)將襯底冷卻至18_25°C即可。
[0090]所述硫化鎘緩沖層的制備方法，采用化學(xué)水浴法制備工藝，步驟如下:
[0091]I)制備反應(yīng)液:首先配置濃度為0.0lmol/L硫脲溶液1L，配置醋酸鎘和醋酸氨混合溶液IL，其中醋酸鎘溶液濃度為0.00 lmol/L，醋酸氨溶液濃度為0.003mol/L，氨水溶液濃度為1.3 X 10—3mol/L，然后將硫脲溶液25mL、醋酸鎘和醋酸氨混合溶液25mL和氨水溶液4滴混合并攪拌均勻，制得反應(yīng)液；
[0092]2)將反應(yīng)液放入燒杯中并將燒杯放入水浴鍋內(nèi)，水浴溫度設(shè)置為80°C，反應(yīng)時(shí)間為15min;
[0093]3)反應(yīng)完成后，用去離子水沖洗干凈樣品殘留于硫化鎘緩沖層表面的未反應(yīng)成膜的硫化鎘顆粒即可。
[0094]所述透明窗口層的高阻本征氧化鋅薄膜和低阻氧化鋅鋁薄膜的制備方法，采用射頻磁控濺射系統(tǒng)制備，步驟如下:
[0095]I)高阻本征氧化鋅薄膜的制備
[0096]將待制備樣品置于射頻磁控濺射沉積系統(tǒng)的沉積室中，以純度為99.99%的1-ZnO為靶材，采用射頻磁控濺射工藝在襯底表面沉積本征氧化鋅薄膜，工藝參數(shù)為:本底真空3.0X 10—4Pa，襯底溫度50 °C，射頻功率400W，Ar氣流量80sccm，O2氣流量I sccm，濺射時(shí)間為13min；
[0097]2)低阻氧化鋅鋁薄膜的制備
[0098]將待制備樣品置于在射頻磁控濺射沉積系統(tǒng)的沉積室中，以純度為99.99%的ZnO:Al為靶材，采用射頻磁控濺射工藝在襯底表面沉積ZnO: Al薄膜，工藝參數(shù)為:本底真空3.0X I O—4Pa，襯底溫度120 °C，射頻功率500W，Ar氣流量70sccm，濺射時(shí)間為10min。
[0099]所述銀上電極的制備方法，采用絲網(wǎng)印刷的方法制備，步驟如下:
[0100]I)將待制備樣品置于真空吸附平臺(tái)上，使待制樣品保持平整狀態(tài)，選擇相應(yīng)掩膜板懸架于待制樣品上方，調(diào)整掩膜板位置，鋪平銀漿，開始印刷。
[0101]2)印刷完成后取下掩膜板，將制備好的樣品置于固化裝置當(dāng)中，使其在相應(yīng)工藝溫度下完全固化，取出即可。
[0102]檢測(cè)結(jié)果與實(shí)施例1相同。
[0103]綜上所述，為制備高轉(zhuǎn)換效率的柔性銅銦鎵砸電池，本發(fā)明提供了一種基于聚酰亞胺膜-蘇打玻璃復(fù)合襯底的銅銦鎵砸太陽電池器件的制備方法，將聚酰亞胺膠涂于蘇打玻璃表面，固化成聚酰亞胺膜-蘇打玻璃復(fù)合襯底，并在其表面制備銅銦鎵砸太陽電池，在完整的銅銦鎵砸太陽電池制備完成后，將其與蘇打玻璃分離，形成以聚酰亞胺膜為襯底的柔性銅銦鎵砸太陽電池，實(shí)現(xiàn)以鋼性襯底制備柔性電池。該制備方法工藝條件方便易行，有利于大規(guī)模的推廣應(yīng)用，尤其在太空及特殊場(chǎng)合中具有極其重要的應(yīng)用前景。
[0104]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種后摻鈉銅銦鎵砸太陽電池器件，其特征在于:為基于聚酰亞胺膜-蘇打玻璃復(fù)合襯底的銅銦鎵砸太陽電池，由玻璃、聚酰亞胺、鉬背接觸層、銅銦鎵砸吸收層、硫化鎘緩沖層、透明窗口層高阻本征氧化鋅薄膜、透明窗口層低阻氧化鋅鋁薄膜和銀上電極組成并形成疊層結(jié)構(gòu)，其中襯底由蘇打玻璃及生長(zhǎng)于其表面的聚酰亞胺膜構(gòu)成，蘇打玻璃的厚度為1.5-2mm，聚酰亞胺膜厚度為25-30μπι;鉬背接觸層包括高阻層薄膜和低阻層薄膜，其中高阻層薄膜的厚度為80-120nm，低阻層薄膜的厚度為600-700nm;銅銦鎵砸吸收層的化學(xué)分子式為CuImiGaxSe2，式中x為0.25-0.35，導(dǎo)電類型為P型，薄膜厚度為1.5_2μπι;硫化鎘緩沖層的的導(dǎo)電類型為η型，厚度為45-50nm;透明窗口層包括高阻本征氧化鋅薄膜和低阻氧化鋅鋁薄膜，導(dǎo)電類型為η型，本征氧化鋅薄膜的厚度為50-100nm，氧化鋅鋁薄膜的厚度為0.4-0.6μπι;銀上電極薄膜的厚度為0.8-1.5μπι。2.一種如權(quán)利要求1所述后摻鈉銅銦鎵砸太陽電池器件的制備方法，其特征在于:首先將聚酰亞胺膠涂于蘇打玻璃表面，固化成聚酰亞胺膜-蘇打玻璃復(fù)合襯底，其次在其表面依次制備鉬背接觸層、銅銦鎵砸吸收層、硫化鎘緩沖層、透明窗口層和上電極，在完整的銅銦鎵砸太陽電池制備完成后，將其與蘇打玻璃襯底分離，得到以聚酰亞胺膜為襯底的柔性銅銦鎵砸太陽電池。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的后摻鈉銅銦鎵砸太陽電池器件的制備方法，其特征在于:所述聚酰亞胺膜-蘇打玻璃復(fù)合襯底的制備方法，步驟如下: 1)對(duì)蘇打玻璃進(jìn)行表面清洗，清洗方法是: 首先將1cmX 1cm的蘇打玻璃放入重鉻酸鉀溶液中浸泡2h，重鉻酸鉀溶液由300克重鉻酸鉀、3升濃硫酸和300毫升去離子水配置而成，將蘇打玻璃取出用去離子水沖洗后置于濃度為99.5w %的丙酮溶液中，放入超聲波清洗機(jī)中清洗，超聲波頻率為20-30kHz，時(shí)間為20-25min，然后將蘇打玻璃從丙酮溶液中取出，用去離子水沖洗后置于濃度為99.7w%的酒精中，放入超聲波清洗機(jī)中清洗超聲波頻率為20-30kHz，時(shí)間為20-25min，最后將蘇打玻璃從酒精中取出，放入盛有去離子水的燒杯中，放入超聲波清洗機(jī)中清洗3遍，超聲波頻率為20-30kHz，時(shí)間為20-25min； 2)將聚酰亞胺膠涂覆于蘇打玻璃表面，采用勻膠工藝進(jìn)行勻膠，工藝參數(shù)為:轉(zhuǎn)速為1300-1500r/min，時(shí)間為35-45s; 3)將勻膠后的樣品放入烘箱內(nèi)進(jìn)行固化，即可得到聚酰亞胺膜-蘇打玻璃復(fù)合襯底，所述固化工藝的升溫保溫程序?yàn)?烘箱溫度升溫至125-135°C，升溫時(shí)間為10-15min，并在125-135°C下維持25-30min;將烘箱溫度升溫至150-160°C，升溫時(shí)間為5-10min，并在150-160°C下維持10-15min;將烘箱溫度升溫至200-210°C，升溫時(shí)間為5-10min，并在200-210°C下維持15-20min;將烘箱溫度升溫至250-260°C，升溫時(shí)間為5-10min，并在250-260°C下維持15-20min;將烘箱溫度升溫至340-350 °C，升溫時(shí)間為5-10min，并在340-350 °C下維持10-15min，然后緩慢降溫至18-25°C，即可得到聚酰亞胺膜-蘇打玻璃復(fù)合襯底。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述銅銦鎵砸太陽電池器件的制備方法，其特征在于:所述鉬背接觸層薄膜的制備方法，采用直流磁控濺射系統(tǒng)制備，將待制備樣品置于直流磁控濺射沉積系統(tǒng)的沉積室中，以純度為99.99 %的鉬為靶材，采用射頻磁控濺射工藝在襯底表面依次分別沉積高阻鉬薄膜和低阻鉬薄膜，其中: I)沉積高阻鉬薄膜工藝參數(shù)為:本底真空3.0 X 10—4Pa，工作氣壓l-2Pa，襯底溫度25-50°C，射頻功率500-700W，Ar氣流量30-50sccm，基靶行走速度4-6mm/s，沉積時(shí)間以基靶的往復(fù)次數(shù)計(jì)為2_4次； 2)沉積低阻薄膜的工藝參數(shù)為:本底真空3.0 X 10—4Pa，工作氣壓為0-0.5Pa，襯底溫度為室溫25-500C，射頻功率為1500-2000W，Ar氣流量為15-20sccm，基靶行走速度為4-6mm/s，沉積時(shí)間以基靶的往復(fù)次數(shù)計(jì)為4-6次。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述后摻鈉銅銦鎵砸太陽電池器件的制備方法，其特征在于:所述銅銦鎵砸吸收層薄膜的制備方法，采用砸化爐薄膜制備系統(tǒng)和改進(jìn)的共蒸發(fā)三步法制備工藝，步驟如下: 1)將待制備樣品置于共蒸發(fā)系統(tǒng)中，在本底真空為3.0\10—兮&、襯底溫度為550-5951€下，共蒸發(fā)In、Ga、Se預(yù)置層，其中In蒸發(fā)源溫度為860-875°C，Ga蒸發(fā)源溫度為920-935°C，Se蒸發(fā)源溫度為520-535 °C，蒸發(fā)時(shí)間為5-15min; 2)在襯底溫度為550-595°(:下，共蒸發(fā)111、6&、01、56，其中111蒸發(fā)源溫度為860-875°(:，Ga蒸發(fā)源溫度為920-935°C，Cu蒸發(fā)源溫度為1160-1175°C，Se蒸發(fā)源溫度為520-535°C，蒸發(fā)時(shí)間為15-20min; 3)在襯底溫度保持步驟2)的溫度不變條件下，蒸發(fā)Cu、Se，其中Cu蒸發(fā)源溫度為1160-1175°C，Se蒸發(fā)源溫度為520-535°C，蒸發(fā)時(shí)間為3-6min，得到稍微富Cu的銅銦鎵砸P型黃銅礦結(jié)構(gòu)； 4)保持襯底溫度同2)、3)不變，共蒸發(fā)In、Ga、Se，其中In蒸發(fā)源溫度為860-875V，Ga蒸發(fā)源溫度為920-940°(:，36蒸發(fā)源溫度為520-535°(:，蒸發(fā)時(shí)間為3-151^11，控制(:11/(111+6&)的原子比例為0.88-0.92; 5)將襯底溫度降至450°C，蒸發(fā)NaF、Se，NaF蒸發(fā)源溫度為770-820°C，蒸發(fā)時(shí)間為2-15min； 6)將襯底冷卻至18-25°C即可。6.根據(jù)權(quán)利要求2所述銅銦鎵砸太陽電池器件的制備方法，其特征在于:所述硫化鎘緩沖層的制備方法，采用化學(xué)水浴法制備工藝，步驟如下: 1)制備反應(yīng)液:首先配置濃度為0.0lmol/L硫脲溶液IL，配置醋酸鎘和醋酸氨混合溶液IL，其中醋酸鎘溶液濃度為0.00lmol/L，醋酸氨溶液濃度為0.003mol/L，氨水溶液濃度為1.3 X 10—3mol/L，然后將硫脲溶液25mL、醋酸鎘和醋酸氨混合溶液25mL和氨水溶液4滴混合并攪拌均勻，制得反應(yīng)液； 2)將反應(yīng)液加入放有樣品的燒杯中并將燒杯放入水浴鍋內(nèi)，水浴溫度設(shè)置為75-80°C，反應(yīng)時(shí)間為15-20min; 3)反應(yīng)完成后，用去離子水沖洗干凈殘留于樣品硫化鎘緩沖層表面的未反應(yīng)成膜的硫化鎘顆粒即可。7.根據(jù)權(quán)利要求2所述銅銦鎵砸太陽電池器件的制備方法，其特征在于:所述透明窗口層的高阻本征氧化鋅薄膜和低阻氧化鋅鋁薄膜的制備方法，采用射頻磁控濺射系統(tǒng)制備，步驟如下: I)高阻本征氧化鋅薄膜的制備 將待制備樣品置于射頻磁控派射沉積系統(tǒng)的沉積室中，以純度為99.99%的1-ZnO為革巴材，采用射頻磁控濺射工藝在襯底表面沉積本征氧化鋅薄膜，工藝參數(shù)為:本底真空3.0 X10一4Pa，襯底溫度25-50°C，射頻功率400W，Ar氣流量80sccm，O2氣流量Isccm，濺射時(shí)間為13min； 2)低阻氧化鋅鋁薄膜的制備 將待制備樣品置于在射頻磁控濺射沉積系統(tǒng)的沉積室中，以純度為99.99%的ZnO:Al為靶材，采用射頻磁控濺射工藝在襯底表面沉積ZnO: Al薄膜，工藝參數(shù)為:本底真空3.0 X1一4Pa，襯底溫度100-120 °C，射頻功率500W，Ar氣流量70sccm，濺射時(shí)間為10min。8.根據(jù)權(quán)利要求2所述銅銦鎵砸太陽電池器件的制備方法，其特征在于:所述銀上電極的制備方法，采用絲網(wǎng)印刷的方法制備，步驟如下: 1)將待制備樣品置于真空吸附平臺(tái)上，使待制樣品保持平整狀態(tài)，選擇相應(yīng)掩膜板懸架于待制樣品上方，調(diào)整掩膜板位置，鋪平銀漿，開始印刷。 2)印刷完成后取下掩膜板，將制備好的樣品置于固化裝置當(dāng)中，使其在相應(yīng)工藝溫度下完全固化，取出即可。
【文檔編號(hào)】H01L31/0392GK106024934SQ201610334036
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年7月7日
【發(fā)明人】薛玉明, 孫海濤, 宋殿友, 夏丹, 馮少君, 俞兵兵, 王玉昆, 張奧
【申請(qǐng)人】天津理工大學(xué)