CN100449793C - 一种铜铟硒CuInSe2太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种CuInSe2太阳能电池及其制备方法，该电池依次由下电极、P型CuInSe2吸收层、过渡层CdS、N型ZnO层和上电极组成，其制备方法主要包括采用低频振动垂直布里奇曼法或低频振动坩埚下降法制备P型CuInSe2单晶片、采用水浴法CBD在单晶片一面制作过渡层CdS、在过渡层CdS上利用RF磁控溅射Al2O3掺杂的ZnO靶制备N型ZnO层、用磁控溅射或电子束蒸发通过掩模沉积铝或银膜作为上电极、在单晶片的另一面通过掩模用磁控溅射或电子束蒸发沉积下电极。该发明采用Cu/Mo合金代替钼，使得背电极与CuInSe2吸收层间的结合更牢固，有效改善了CuInSe2的制作工艺，提高了贵金属材料的利用率及太阳能电池的光转换效率及电池的成品率；具有结构工艺简单、无污染、稳定性好等优点。

Description

一种铜铟硒CuInSe2太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种化合物半导体单晶太阳能电池及其制备方法，尤其是一种以铜铟硒CuInSe2为吸收层的太阳能电池的结构以及制备方法，属于光电材料新能源技术领域。
背景技术
当今世界，随着科学技术的进步、经济的发展和人口的增加，人类对能源的需求量越来越大，然而石油、天然气和煤炭等重要资源毕竟是有限的，大多数国家已感到矿物燃料的存储量正在日益减少，甚至面临枯竭的危险，而化石类燃料消耗，会对环境造成根本性的影响和破坏。我国科学家根据不同气候模式就能源消耗对气候的影响作出预测：气候变化将使中国未来农业面临突出问题，估计到2030年，种植业产量因全球变暖会减少5％-10％左右。
太阳能电池的开发利用则是能同时解决上述能源与环境两个问题的最佳选择，在太阳能光电池电转换材料中占有重要位置的是硅材料和化合物半导体，在光伏技术发展的新高潮中，由于I-III-VI2族化合物半导体CuInSe2(CIS)材料具有优良的光电吸收与转换效率(在实验室中CIS薄膜太阳能电池的光电转换效率可达19.2％)，具有承受标准配比(I，III和VI族成分的比例)变化的能力，具有可改变合金成分所带来的设计上的灵活性，而且其性能长期稳定，抗辐射能力强，制备的电池不存在光致衰退，最近几年引起了人们的广泛关注与研究，被一致认为是硅材料的最佳替代者及下一代空间电源的候选者。目前，对CIS太阳能电池的研究大都局限于CuInSe2薄膜电池的研究，局限于完善CIS薄膜，以及整个电池的制备工艺，以期提高转换效率，降低成本；人们主要采用多元共蒸发法成膜工艺制作CuInSe2薄膜太阳能电池，即第二代太阳能电池。虽然可制备出高转换效率的CIS电池，但元素的化学配比很难靠蒸发来精确控制，因而电池的良品率不高，产业化的实现比较困难；同样在采用蒸发法时，原料的利用率低，对于贵金属来说浪费大，不利于降低成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能有效提高铜铟硒CuInSe2太阳能电池发光效率，改善贵金属材料利用率，提高制作工艺环保性的铜铟硒CuInSe2太阳能电池及其制备方法，其发明目的可以通过以下技术方案得以实施。
一种铜铟硒CuInSe2太阳能电池，依次由下电极、P型铜铟硒CuInSe2吸收层、过渡层CdS、N型ZnO层和上电极组成。
所述P型铜铟硒CuInSe2吸收层为CuInSe2单晶片，其厚度为0.2～3mm。
所述下电极采用Cu/Mo(铜/钼)合金。
所述过渡层CdS膜厚为40nm～60nm。
本发明所述的铜铟硒CuInSe2太阳能电池制作工艺方法包括如下步骤：
首先制作P型铜铟硒CuInSe2单晶片，包括如下步骤：
将一定量的高纯铜(99.999％)、铟(99.999％)和硒(99.999％)颗粒除去表面氧化层后按摩尔比为Cu∶In∶Se＝1∶1∶2进行充分混匀，装入洗净的厚壁石英管(坩埚)，该石英管一端已封口，对石英管抽真空至10-6～10-7Torr，将石英管另一端亦封口后置于氧化铝引下管中并固定，放到下降炉中适当位置，升温、保温、接种、下降生长。具体步骤：将置于下降炉的两端封口的石英管缓慢升温到300℃～350℃，让Se和In发生放热反应，此放热反应完成后，炉子的温度升到950℃～1150℃，在此温度上保持至少24hrs～45hrs，并通过有可调振动控制器控制下降装置使熔体作上下低频振动，使得熔体各成分均匀及CuInSe化合合成过程全面彻底。然后，石英管(坩埚)以5mm/h～10mm/h速率通过温度梯度为70℃/cm～10℃/cm的梯度区到达垂直布里奇曼的低温区，低温区的温度设置在700℃～500℃。最后，炉子的温度以30℃/h～40℃/h的冷却速率降温至常温。将石英管(坩埚)从炉子里取出，打开石英管拿出P-型CuInSe2结晶块，将P-型CuInSe2结晶块机械或激光法切片(0.2mm～3mm厚)并双面抛光。
然后采用水浴法CBD制作过渡层CdS，包括如下步骤：P-型CuInSe2片在350℃和氮气气氛下退火2～3h，经去油污，去离子水漂洗和超声振荡等步骤清洗，放入水浴池，用CBD法制备CdS多晶薄膜，成膜溶液成分摩尔比为CdCl2∶硫脲[(NH2)2CS]∶NH4Cl∶NH4OH＝2∶20∶20∶200；溶液温度80℃左右，pH值9～10，经6～9min沉积，成膜为黄色均匀薄膜，膜厚为40nm～60nm。
在过渡层CdS上利用RF磁控溅射Al2O3(2～2.5％)掺杂的ZnO靶制备N型ZnO层，然后用磁控溅射或电子束蒸发通过掩模沉积铝Al或银Ag膜作为上电极，最后在P-型CuInSe2单晶片的另一面通过用磁控溅射或电子束蒸发沉积下电极Cu/Mo(铜/钼)。
采用以上技术方案的高效率铜铟硒CuInSe2太阳能电池的本发明，是以垂直布里奇曼法或坩埚下降法制备高质量的单晶P型铜铟硒CuInSe2为光吸收层，并以Cu/Mo(铜/钼)作为下电极，Cu-Mo合金或与铜铟硒CuInSe2单晶面的粘附着性好，及很好的电导率，有效地改善了铜铟硒CuInSe2的制作工艺，提高了贵金属铜、铟、硒材料的利用率及铜铟硒太阳能电池的光转换效率，并提高了制作工艺的环保性和电池的成品率。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作一详细说明。
图1为本发明所述铜铟硒CuInSe2太阳能电池的结构示意图；
图2为制备P型铜铟硒CuInSe2单晶片的坩埚下降法示意图。
图中：1、下电极  2、P型铜铟硒CuInSe2吸收层  3、过渡层CdS4、N型ZnO层  5、上电极
具体实施方式
如图1所示，本发明所述的高效率铜铟硒CuInSe2太阳能电池，由下电极1、P型铜铟硒CuInSe2片2、过渡层CdS 3、N型ZnO层4和上电极5组成。P型铜铟硒CuInSe2吸收层为CuInSe2单晶片，下电极采用Cu/Mo(铜/钼)合金。
为制备上述高效率铜铟硒CuInSe2太阳能电池，本发明的制备方法，包括以下步骤：
将一定量的高纯铜(99.999％)、铟(99.999％)和硒(99.999％)颗粒除去表面氧化层后按摩尔比为Cu∶In∶Se＝1∶1∶2进行充分混匀，装入洗净的厚壁石英管(坩埚)，该石英管一端已封口。对石英管抽真空至10-6，将石英管另一端亦封口后置于氧化铝引下管中并固定，放到下降炉中适当位置，缓慢升温到300℃～350℃，让Se和In发生放热反应，此放热反应完成后，炉子的温度升到1100℃，在此温度上保持24hrs，并通过有可调振动控制器控制下降装置使熔体作上下低频振动，使得熔体各成分均匀及CuInSe化合合成过程全面彻底。然后，石英管(坩埚)以速率5mm/h通过温度梯度为70℃/cm梯度区到达垂直布里奇曼的低温区，低温区的温度设置在700℃。最后，炉子的温度以30℃/h的冷却速率降温至常温。将石英管(坩埚)从炉子里取出，打开石英管拿出P-型CuInSe2结晶块。将P-型CuInSe2结晶块机械切片(1mm厚)并抛光。
然后采用水浴法制作过渡层CdS，包括如下步骤：P-型CuInSe2片在350℃和氮气气氛下退火2h，经去油污，去离子水漂洗和超声振荡等步骤清洗，放入水浴池，用CBD法制备CdS多晶薄膜，成膜溶液成分摩尔比为CdCl2∶硫脲[(NH2)2CS]∶NH4Cl∶NH4OH＝2∶20∶20∶200，溶液温度为80℃，pH值9，经8min沉积，成膜为黄色均匀薄膜，膜厚为50nm。
在过渡层CdS上利用RF磁控溅射Al2O3(2％)掺杂的ZnO靶制备N型ZnO层，然后用磁控溅射或电子束蒸发通过掩模沉积铝Al或银Ag膜作为上电极，最后在P-型CuInSe2片的另一面通过掩模用磁控溅射或电子束蒸发沉积下电极Cu/Mo(铜/钼)。
由于本高效率铜铟硒CuInSe2太阳能电池的发明，是以垂直布里奇曼法或坩埚下降法制备高质量的单晶P型铜铟硒CuInSe2为光吸收层，并以Cu/Mo(铜/钼)为下电极，此Cu-Mo合金与铜铟硒CuInSe2单晶面的粘附着性好，有效地改善了铜铟硒CuInSe2的制作工艺，提高了贵金属铜、铟、硒材料的利用率及铜铟硒太阳能电池的光转换效率，并提高了制作工艺的环保性和电池的成品率。因此，本发明具有结构简单、工艺简单、光的转换效率高、无污染、稳定性能好等优点。

Claims (6)

1、一种铜铟硒CuInSe2太阳能电池，其特征在于：所述电池由下电极、P型铜铟硒CuInSe2吸收层、过渡层CdS、N型ZnO层和上电极组成；所述P型铜铟硒CuInSe2吸收层为CuInSe2单晶片。
2、按照权利要求1所述的铜铟硒CuInSe2太阳能电池，其特征在于：所述CuInSe2单晶片吸收层厚度为0.2～3mm。
3、按照权利要求1所述的铜铟硒CuInSe2太阳能电池，其特征在于：所述下电极采用Cu/Mo合金。
4、按照权利要求1所述的铜铟硒CuInSe2太阳能电池，其特征在于：所述过渡层CdS膜厚为40nm～60nm。
5、一种权利要求1所述的铜铟硒CuInSe2太阳能电池的制备方法，其特征在于：
包括以下步骤：
①、采用低频振动垂直布里奇曼法或低频振动坩埚下降法制备P型铜铟硒CuInSe2单晶片：将一定量的高纯铜、铟和硒颗粒除去表面氧化层后按摩尔比为Cu∶In∶Se＝1∶1∶2进行充分混匀，装入洗净的厚壁石英管/坩埚，该石英管一端已封口，将石英管抽真空至10-5-10-6Torr后，将石英管另一端亦封口，然后置于氧化铝引下管中并固定，置于下降炉中适当位置，升温、保温、接种、下降生长；
②、采用水浴法CBD在P型铜铟硒CuInSe2单晶片一面制作过渡层CdS；
③、在过渡层CdS上利用RF磁控溅射2～2.5％Al2O3掺杂的ZnO靶制备N型ZnO层；
④、用磁控溅射或电子束蒸发通过掩模沉积铝Al或银Ag膜作为上电极；
⑤、在P型铜铟硒CuInSe2单晶片的另一面通过掩模用磁控溅射或电子束蒸发沉积下电极。
6、按照权利要求5所述的一种铜铟硒CuInSe2太阳能电池的制备方法，其特征在于：在步骤①P型铜铟硒CuInSe2吸收层的制备中，所述下降炉高温区温度为950℃～1150℃，梯度区的温度梯度为70℃/cm～10℃/cm，坩埚下降速率为5mm/h～10mm/h，低温区的温度为700℃～500℃。
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