CN101794840A - 柔性CdTe薄膜太阳能电池制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性CdTe薄膜太阳能电池制备方法，所述太阳能电池结构由不锈钢/石墨缓冲层/CdTe/CdS/ITO构成，CdS/CdTe组成PN结，其特征在于，采用如下的制备步骤：a、不锈钢衬底预处理；b、化学气相生长石墨缓冲层；c、在制备好石墨缓冲层的不锈钢衬底上使用近空间升华法生长CdTe薄膜；用CdCl2对CdTe薄膜进行退火处理；d、在制备好的CdTe薄膜的衬底上使用近空间升华法生长CdS薄膜；e、在不锈钢衬底上制备In2O3:F透明导电薄膜；f、获得柔性CdTe薄膜太阳能电池。该方法制作工艺简单，流水化作业，可以进行大规模的工厂化生产。
Description
技术领域：
本发明涉及一种基于柔性CdTe(碲化镉)薄膜的太阳电池的制造方法，属于纳米无机化合物能源材料制造工艺技术领域。
背景技术：
能源是现代社会运行的基础。随着当今世界人口和经济的增长、能源资源的日益匮乏、环境的日益恶化，人们对电能的需求量越来越大，同时人类社会对能源的可持续发展要求也越来越高。太阳能是一种可持续发展的清洁能源，关于太阳能的开发和利用已经在全球范围内掀起了热潮。这非常有利于生态环境的可持续发展，造福子孙后代，因此世界各国竞相投资研究开发太阳能电池。太阳能是一种洁净、无污染、取之不尽用之不竭的自然能源，人类赖以生存的自然资源几乎全部转换于太阳能，将太阳能直接转换为电能是大规模利用太阳能的一项重要技术基础。
太阳能电池种类繁多，包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、化合物半导体电池和叠层太阳能电池。
在全球销售的太阳电池组件中，70％以上是晶体硅电池。晶体硅太阳电池存在如下缺点：(1)硅材料的熔炼、提纯均采用高耗能工艺，因此硅太阳电池成本下降空间有限；(2)晶硅太阳电池只能做成刚性衬底组件譬如玻璃衬底，质量比功率较低，不能充分满足于建筑物集成和便携式电源的需求。
CdTe是一种化合物半导体，在太阳能电池中一般作吸收层。由于它的直接带隙为1.45eV，最适合于光电能量转换，因此使得约2微米厚的CdTe吸收层在其带隙以上的光学吸收率达到90％成为可能，允许的最高理论转换效率在大气质量AM1.5条件下高达27％。CdTe容易沉积成大面积的薄膜，沉积速率也高。因此，CdTe薄膜太阳能电池的制造成本较低，是应用前景较好的一种新型太阳能电池，已成为美、德、日、意等国研发的主要对象。目前，已获得的最高效率为16.5％(1cm)，电池模块效率达到11％(0.94m)。然而，人们当前对CdTe太阳能电池的特点和制备方法的认识很零散，没有一个系统的了解。
目前，将太阳能电池与建筑相结合，将太阳能电池用于建筑屋顶等，根据需要将其制作成不同的透光率，不但可以代替玻璃幕墙，而且节约了大量的建筑耗能，应用前景非常广泛。本领域中迫切希望得到一种以不锈钢为衬底的柔性CdTe薄膜太阳电池的制造方法以加快太阳能电池的应用与推广。
发明内容：
本发明的目的是提供一种不锈钢基柔性CdTe薄膜太阳能电池的制备方法，所述太阳能电池结构为不锈钢/石墨缓冲层/CdTe/CdS(硫化镉)/ITO(In2O3:F透明导电薄膜)构成，CdS/CdTe组成PN结，该方法制作工艺简单，流水化作业，可以进行大规模的工厂化生产。
本发明的技术方案如下：
一种柔性CdTe薄膜太阳能电池制备方法，所述太阳能电池结构由不锈钢/石墨缓冲层/CdTe/CdS/ITO构成，CdS/CdTe组成PN结，采用如下的制备步骤：
a、不锈钢衬底预处理；
b、化学气相生长石墨缓冲层；
c、在制备好石墨缓冲层的不锈钢衬底上使用近空间升华法生长CdTe薄膜，用CdCl2对CdTe薄膜进行退火处理；
d、在制备好的CdTe薄膜的衬底上使用近空间升华法生长CdS薄膜；
e、在不锈钢衬底上制备In2O3:F透明导电薄膜；
f、获得柔性CdTe薄膜太阳能电池。
其中，所述步骤a中不锈钢衬底预处理是指采用厚度为0.1cm厚不锈钢作为沉积衬底及背电极，采用丙酮超声清洗10分钟，以去除表面的油脂，然后去离子水超声清洗10分钟去除不锈钢表面杂质，最后将不锈钢烘干后放入预处理室，使用等离子体对不锈钢衬底进行清洗。
其中，所述步骤b中化学气相生长石墨缓冲层是指在不锈钢衬底化学气相沉积腔内通入高纯CH4和H2，沉积温度为300℃，沉积气压为2000Pa，沉积厚度为5nm。
其中，所述步骤c中在制备好石墨缓冲层的不锈钢衬底上使用近空间升华法生长CdTe薄膜是指将生长好缓冲层的不锈钢衬底传递至近空间升华炉样品台上，升华源为高纯CdTe粉末，先将升华炉抽真空至5Pa，然后对升华炉抽真空至1×10-3Pa。通入Ar气，调节流量为10标准毫升/分，调节气压到800Pa；调节红外卤素灯使升华源温度为600℃，衬底温度为500℃，源与衬底距离为5mm，升华时间为2分钟。
其中，所述步骤c中用CdCl2对CdTe薄膜进行退火处理是指将制备好CdTe薄膜的衬底传递至磁控溅射仪样品台上，溅射靶材为高纯CdCl2，先对溅射室抽真空至5Pa，然后对反应室抽真空至1×10-3Pa以下，然后通入Ar气，调节气压为0.2Pa，溅射功率为150W，溅射时间为10分钟，溅射完成后继续通入Ar气作保护气，保持衬底温度为450℃退火15分钟。
其中，所述步骤d中生长CdS薄膜是指将制备好CdTe薄膜的衬底传递至近空间升华炉样品台上，升华源为高纯CdS粉末，先将升华炉抽真空至3Pa，然后对升华炉抽真空至1×10-3Pa，通入50％Ar气和50％O2，调节流量为10标准毫升/分，调节气压为1000Pa，调节红外卤素灯使升华源温度为550℃，衬底温度为500℃，源与衬底距离为4mm，升华时间为6秒。
其中，所述步骤e中制备In2O3:F透明导电薄膜是指将衬底传递到磁控溅射仪样品台上，溅射靶材为高纯In2O3，先对溅射室抽真空至3Pa，然后对反应室抽真空至1×10-3Pa，然后通入Ar气和5％三氟甲烷，调节流量为30标准毫升/分，调节反应气压为0.2Pa，溅射功率200W，溅射时间0.5小时。
本专利制备过程中所使用到的磁控溅射仪和近空间升华炉通过插板阀连接，并由磁力机械手进行样品传递，上述步骤从不锈钢衬底进入预处理室后，全部工序都在真空环境下自动完成。
本发明同其他柔性CdTe薄膜太阳能电池制备方法相比，具有如下创新点：
(1)采用不锈钢衬底作柔性CdTe薄膜太阳电池衬底及背电极，同时在衬底与CdTe之间引入石墨层作缓冲层，使制备出的薄膜太阳能电池具有一定的柔性，从而适用于一些对柔性要求严格的行业，譬如建筑物上面。
(2)本发明采用了近空间升华法(CSS)法制备CdS、CdTe，对CdS在50％Ar气和50％O2保护下高温退火处理，在CdTe薄膜表面溅射CdCl2并在Ar气保护下进行高温退火，使CdS/CdTe界面重组，电池效率提高。
(3)本制备方法的所有工序可以在一套设备内完成，该制备设备通过插板阀连接磁控溅射仪和近空间升华炉，并由磁力机械手进行样品传递，从不锈钢衬底进入预处理室后，全部工序都在真空环境下由电脑控制，流水作业，自动完成。
附图说明：
图1为本专利方法制备的柔性CdTe薄膜太阳电池的结构示意图；
图2为本专利制备工序示意图；
附图标号说明：
1-ITO，2-CdS薄膜，3-CdTe薄膜，4-石墨缓冲层，5-不锈钢衬底，6-预处理室，7-化学气相沉积炉，8-第一近空间升华炉，9-第二近空间升华炉，10-磁控溅射仪
具体实施方式：
为进一步说明本专利的技术内容，现通过具体实施方式对本专利的制备方法进行说明：
(1)不锈钢衬底5预处理：采用厚度为0.1cm厚不锈钢作为沉积衬底及背电极，采用丙酮超声清洗10分钟，以去除表面的油脂，然后去离子水超声清洗10分钟去除不锈钢表面杂质，最后将不锈钢烘干后放入预处理室6，使用等离子体对不锈钢衬底5进行清洗。
(2)化学气相生长石墨缓冲层4：将不锈钢衬底5传递到化学气相沉积炉7，在化学气相沉积腔内通入高纯CH4和H2，沉积温度为300℃，沉积气压为2000Pa，沉积厚度为5nm。
(3)在制备好石墨缓冲层4的不锈钢衬底5上使用近空间升华法生长CdTe薄膜3，用CdCl2对CdTe薄膜3进行退火处理：将生长好缓冲层的不锈钢衬底5传递至第一近空间升华炉8样品台上，升华源为高纯CdTe粉末，先将升华炉8抽真空至5Pa，然后对升华炉8抽真空至1×10-3Pa。通入Ar气，调节流量为10标准毫升/分，调节气压到800Pa；调节红外卤素灯使升华源温度为600℃，衬底温度为500℃，源与衬底距离为5mm，升华时间为2分钟。其中，用CdCl2对CdTe薄膜3进行退火处理是指将制备好CdTe薄膜3的衬底传递至磁控溅射仪10样品台上，溅射靶材为高纯CdCl2，先对溅射室10抽真空至5Pa，然后对反应室抽真空至1×10-3Pa以下，然后通入Ar气，调节气压为0.2Pa，溅射功率为150W，溅射时间为10分钟，溅射完成后继续通入Ar气作保护气，保持衬底温度为450℃退火15分钟。
(4)在制备好的CdTe薄膜3的衬底上使用近空间升华法生长CdS薄膜2：将制备好CdTe薄膜3的衬底传递至第二近空间升华炉9样品台上，升华源为高纯CdS粉末，先将升华炉9抽真空至3Pa，然后对升华炉9抽真空至1×10-3Pa，通入50％Ar气和50％O2，调节流量为10标准毫升/分，调节气压为1000Pa，调节红外卤素灯使升华源温度为550℃，衬底温度为500℃，源与衬底距离为4mm，升华时间为6秒。
(5)在不锈钢衬底5上制备In2O3:F透明导电薄膜ITO 1：将衬底传递到磁控溅射仪10样品台上，溅射靶材为高纯In2O3，先对溅射室10抽真空至3Pa，然后对反应室抽真空至1×10-3Pa，然后通入Ar气和5％三氟甲烷，调节流量为30标准毫升/分，调节反应气压为0.2Pa，溅射功率200W，溅射时间0.5小时。
(6)获得柔性CdTe薄膜太阳能电池。
通过对以上方法所制得的柔性CdTe薄膜太阳能电池，引出电极后使用太阳能模拟器测试后，结果表明该薄膜太阳能电池的光电转换效率甚佳，电池效率大于7％。通过CSS技术在不锈钢衬底上外延生长柔性CdTe薄膜电池，可以精确控制材料的生长及各层材料的厚度，从而进一步提高太阳能电池的效率及太阳电池的质量功率比，而柔性太阳电池同时也能增加太阳电池的使用范围。
本领域技术人员应该认识到，上述的具体实施方式只是示例性的，是为了更好的使本领域技术人员能够理解本专利，不能理解为是对本专利包括范围的限制，只要是根据本专利所揭示精神的所作的任何等同变更或修饰，均落入本专利包括的范围。
Claims (7)
1.一种柔性CdTe薄膜太阳能电池制备方法，所述太阳能电池结构由不锈钢/石墨缓冲层/CdTe/CdS/ITO构成，CdS/CdTe组成PN结，其特征在于，采用如下的制备步骤：
a、不锈钢衬底预处理；
b、化学气相生长石墨缓冲层；
c、在制备好石墨缓冲层的不锈钢衬底上使用近空间升华法生长CdTe薄膜，用CdCl2对CdTe薄膜进行退火处理；
d、在制备好的CdTe薄膜的衬底上使用近空间升华法生长CdS薄膜；
e、在不锈钢衬底上制备In2O3:F透明导电薄膜；
f、获得柔性CdTe薄膜太阳能电池。
2.根据权利要求1所述的柔性CdTe薄膜太阳能电池制备方法，其特征在于：
所述步骤a中不锈钢衬底预处理是指采用厚度为0.1cm厚不锈钢作为沉积衬底及背电极，采用丙酮超声清洗10分钟，以去除表面的油脂，然后去离子水超声清洗10分钟去除不锈钢表面杂质，最后将不锈钢烘干后放入预处理室，使用等离子体对不锈钢衬底进行清洗。
3.根据权利要求1所述的柔性CdTe薄膜太阳能电池制备方法，其特征在于：
所述步骤b中化学气相生长石墨缓冲层是指在不锈钢衬底沉积腔内通入高纯CH4和H2，沉积温度为300℃，沉积气压为2000Pa，沉积厚度为5nm。
4.根据权利要求1所述的柔性CdTe薄膜太阳能电池制备方法，其特征在于：
所述步骤c中在制备好石墨缓冲层的不锈钢衬底上使用近空间升华法生长CdTe薄膜是指将生长好缓冲层的不锈钢衬底传递至近空间升华炉样品台上，升华源为高纯CdTe粉末，先将升华炉抽真空至5Pa，然后对升华炉抽真空至1×10-3Pa。通入Ar气，调节流量为10标准毫升/分，调节气压到800Pa，调节红外卤素灯使升华源温度为600℃，衬底温度为500℃，源与衬底距离为5mm，升华时间为2分钟。
5.根据权利要求1所述的柔性CdTe薄膜太阳能电池制备方法，其特征在于：
所述步骤c中用CdCl2对CdTe薄膜进行退火处理是指将制备好CdTe薄膜的衬底传递至磁控溅射仪样品台上，溅射靶材为高纯CdCl2，先对溅射室抽真空至5Pa，然后对反应室抽真空至1×10-3Pa以下，然后通入Ar气，调节气压为0.2Pa，溅射功率为150W，溅射时间为10分钟，溅射完成后继续通入Ar气作保护气，保持衬底温度为450℃退火15分钟。
6.根据权利要求1所述的柔性CdTe薄膜太阳能电池制备方法，其特征在于：
所述步骤d中生长CdS薄膜是指将制备好CdTe薄膜的衬底传递至近空间升华炉样品台上，升华源为高纯CdS粉末，先将升华炉抽真空至3Pa，然后对升华炉抽真空至1×10-3Pa，通入50％Ar气和50％O2，调节流量为10标准毫升/分，调节气压为1000Pa，调节红外卤素灯使升华源温度为550℃，衬底温度为500℃，源与衬底距离为4mm，升华时间为6秒。
7.根据权利要求1所述的柔性CdTe薄膜太阳能电池制备方法，其特征在于：
所述步骤e中制备In2O3:F透明导电薄膜是指将衬底传递到磁控溅射仪样品台上，溅射靶材为高纯In2O3，先对溅射室抽真空至3Pa，然后对反应室抽真空至1×10-3Pa，然后通入Ar气和5％三氟甲烷，调节流量为30标准毫升/分，调节反应气压为0.2Pa，溅射功率200W，溅射时间0.5小时。
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