CN101882653A - 基于纳米CdS薄膜的太阳能电池制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及的是一种基于纳米CdS薄膜窗口层的高效太阳能电池制造方法，属于无机非金属材料器件制造工艺领域。该太阳能电池的制备方法是：通过磁控溅射法在导电玻璃上制备高禁带宽度的氧掺杂纳米CdS薄膜(CdS:O薄膜)，在溅射时通入一定比例的氩气和氧气的混合气体，从而得到纳米CdS:O薄膜；薄膜制备后在氩气和氧气的混合气体及氯化镉的蒸汽下高温退火以改善薄膜性能；再在纳米CdS:O薄膜上制备CdTe或CdZnTe薄膜及背电极从而制备出太阳能电池。通过采用CdS:O薄膜制备太阳能电池，有利于提高基于CdS薄膜的太阳能电池的效率。

Description

基于纳米CdS薄膜的太阳能电池制备方法
技术领域
本发明涉及的是一种基于纳米CdS薄膜窗口层的太阳能电池制造方法，属于太阳能电池制造工艺技术领域。
背景技术
由于化石燃料在地球上的日渐枯竭，加上化石燃料引起的污染问题，在不久的将来人类将面临严峻的能源危机和环境危机。鉴于此许多国家都加大了对可再生能源技术发展的支持强度。太阳能作为一种取之不尽、用之不竭、无污染的能源，它的利用在人类长期的能源战略中占据了极其重要的地位。其中太阳能光伏发电又是太阳能利用的一种主要形式，它作为新能源中重要的一环近年越来越受到人们的广泛关注，并得到飞速的发展。
目前太阳电池产品主要为晶体硅电池，但晶硅材料的短缺及价格不断上扬是制约晶硅电池发展的瓶颈。在这种情况下薄膜太阳电池因材料的消耗低，能制备大面积组件而有利于工业化生产等优点成为太阳能光伏电池的发展趋势。经统计，2009年全球薄膜电池产量占到太阳能电池总产量的15％左右，2010年将接近20％。其中CdTe薄膜电池是目前发展最迅速最重要的薄膜太阳能电池。实验室中CdTe薄膜电池的最高效率达到16.5％，实际生产中效率超过10％。CdTe薄膜电池采用的基本结构为玻璃/透明电极/CdS/CdTe/背电极，由于窗口层材料CdS的禁带宽度较小约为2.4eV左右，这样太阳光谱中波长小于500纳米的光就会被CdS窗口层吸收(据估计，0.1微米厚的CdS薄膜可以吸收大约63％能量大于其禁带宽度的入射光)，从而损失了部分入射的光能，使得电池的效率降低。有几个途径可以降低这种短波长光的损失：第一是降低CdS窗口层的厚度降低光吸收。但是CdS薄膜的厚度不能太薄，否则薄膜中会形成针孔缺陷，CdTe薄膜将和透明电极层短接，降低了电池的开路电压；第二就是提高窗口层材料的禁带宽度。本发明就是通过改进CdS薄膜的制备工艺，使得CdS薄膜的禁带宽度提高，从而降低了太阳能电池中的短波损失，提高电池的效率。
发明内容
本发明的目的是通过射频磁控溅射法制备高禁带宽度的氧掺杂纳米CdS薄膜(CdS:O)，氩气、氧气和氯化镉混合气氛下纳米CdS:O薄膜的热处理提高了薄膜性能。采用本发明CdS:O薄膜作为窗口层材料用于薄膜太阳能电池的制造，可以为提高薄膜太阳能电池的效率提供一种方法。
本发明的主要特征在于通过本方法获得的纳米CdS:O薄膜，具有较高的禁带宽度；混合气氛热处理提高了薄膜性能；采用该纳米CdS:O薄膜的太阳能电池，由于短波损失减少，从而短路电流增加，效率提高；采用该纳米CdS:O薄膜还可以抑制CdS薄膜p型光吸收层一侧小禁带宽度合金的形成，有利于高效率电池的制备。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案及步骤：
一、纳米CdS:O薄膜的制备
将透明导电玻璃放入磁控溅射仪的样品台上，溅射靶材为高纯CdS陶瓷靶；先用真空泵对溅射室抽真空至5～20Pa，然后用分子泵对反应室抽真空至10-3Pa以下；通入氩气和氧气的混合气体，然后溅射纳米CdS:O薄膜；氩气和氧气流量比为50/1～1/10，沉积气压为0.1～10Pa，溅射功率10～500W，溅射时间0.5～10分钟。
二、纳米CdS:O薄膜的热处理
将纳米CdS薄膜放入近空间升华沉积设备的样品台；将反应室抽真空至10-2Pa以下，升华源为高纯氯化镉晶体，升华源温度350～450℃，样品衬底温度350～450℃；通入氩气和氧气的混合气体，氩气和氧气流量比为50/1～1/10，腔体气压为0.5～5000Pa，热处理时间1～60分钟。
三、基于纳米CdS薄膜的太阳能电池的制备
采用磁控溅射法或近空间升华法在纳米CdS:O薄膜衬底上制备p型CdTe薄膜或CdZnTe薄膜，再在p型薄膜上制备背电极，从而制备出太阳能电池，电池结构如附图1所示。
本发明同现有技术相比，具有如下显著优点：
(1)本发明的纳米CdS:O薄膜禁带宽度(2.5～3.1eV)高于常规使用的多晶CdS薄膜(2.4eV)，可以降低窗口层短波损失，从而提高太阳能电池的短路电流和转换效率。
(2)本发明的纳米CdS:O薄膜可以抑制p型CdTe薄膜或CdZnTe薄膜中的Te向CdS薄膜扩散，从而减少小禁带宽度CdS1-xTex合金的形成，降低短波损失，电池效率相对于常规电池进一步改善。
附图说明：
图1为本发明的基于纳米CdS:O薄膜的太阳能电池结构示意图。
具体实施方式
现将本发明的实例具体叙述于后。
实施例1
(1)纳米CdS:O薄膜的制备
将SnO2:F透明导电玻璃放入磁控溅射仪的样品台上，溅射靶材为高纯CdS陶瓷靶(纯度99.99％，wt.％)；先用真空泵对溅射室抽真空至15Pa，然后用分子泵对反应室抽真空至7×10-4Pa；通入氩气和氧气的混合气体，氩气和氧气流量比为5∶1。沉积气压为1.5Pa，溅射功率80W，CdS薄膜溅射时间2分钟。
(2)纳米CdS:O薄膜的热处理
将纳米CdS薄膜放入近空间升华沉积设备的样品台；先用真空泵将近空间升华设备抽真空至15Pa，然后用分子泵对反应室抽真空至9×10-4Pa，升华源为高纯氯化镉晶体，升华源温度390℃，样品衬底温度390℃；通入氩气和氧气的混合气体，氩气和氧气流量比为5∶1，腔体气压为0.5Pa，热处理时间10分钟。
(3)纳米CdS/CdTe薄膜太阳能电池的制备
将热处理后的纳米CdS薄膜放入近空间升华沉积设备的样品台；先用真空泵将近空间升华设备抽真空至15Pa，然后用分子泵对反应室抽真空至9×10-4Pa，升华源为高纯CdTe晶体，升华源温度600℃，样品衬底温度500℃；CdTe薄膜沉积时间为1分钟；CdTe薄膜沉积后，在近空间升华沉积设备中对薄膜进行氯化镉气氛退火，退火条件与(2)中相同；CdTe薄膜退火后在磁控溅射仪中溅射ZnTe:Cu背电极，背电极厚度200纳米。
通过对以上制备的纳米CdS:O薄膜进行测试，结果表明薄膜的晶粒大小为约11纳米，禁带宽度为约2.52eV，比常规CdS薄膜的禁带宽度提高约0.1eV；采用纳米CdS:O薄膜制备的CdS/CdTe薄膜太阳能电池的短路电流为23.3mA，效率9.3％。而采用相同电池制备工艺，常规CdS薄膜/CdTe电池的短路电流为22.1mA，效率8.7％。表明采用大禁带宽度的纳米CdS薄膜可以降低光损失，提高短路电流和效率。
实施例2
(1)纳米CdS:O薄膜的制备
将SnO2:F透明导电玻璃放入磁控溅射仪的样品台上，溅射靶材为高纯CdS陶瓷靶(纯度99.99％，wt.％)；先用真空泵对溅射室抽真空至15Pa，然后用分子泵对反应室抽真空至7×10-4Pa；通入氩气和氧气的混合气体，氩气和氧气流量比为4∶1。沉积气压为1.5Pa，溅射功率80W，CdS薄膜溅射时间2分钟。
(2)纳米CdS:O薄膜的热处理
将纳米CdS:O薄膜放入近空间升华沉积设备的样品台；先用真空泵将近空间升华设备抽真空至15Pa，然后用分子泵对反应室抽真空至9×10-4Pa，升华源为高纯氯化镉晶体，升华源温度400℃，样品衬底温度400℃；通入氩气和氧气的混合气体，氩气和氧气流量比为4∶1，腔体气压为0.6Pa，热处理时间10分钟。
(3)纳米CdS/CdZnTe薄膜太阳能电池的制备
将热处理后的纳米CdS:O薄膜放入近空间升华沉积设备的样品台；先用真空泵将近空间升华设备抽真空至15Pa，然后用分子泵对反应室抽真空至9×10-4Pa，升华源为高纯碲锌镉(CdZnTe)晶体，升华源温度650℃，样品衬底温度550℃；CdZnTe薄膜沉积时间为1分钟；CdZnTe薄膜沉积后，在近空间升华沉积设备中对薄膜进行氯化镉气氛退火，退火条件与(2)中相同；CdZnTe薄膜退火后在磁控溅射仪中溅射ZnTe:Cu背电极，背电极厚度200纳米。
通过对以上制备的纳米CdS:O薄膜进行测试，结果表明薄膜的晶粒大小为约9纳米，禁带宽度为约2.59eV，比常规CdS薄膜的禁带宽度提高0.17eV；采用纳米CdS:O薄膜制备的CdS/CdZnTe薄膜太阳能电池的短路电流为19.2mA，效率6.2％。而采用相同电池制备工艺，常规CdS薄膜/CdZnTe电池的短路电流为18.5mA，效率为5.8％。

Claims (1)

1.一种基于纳米CdS薄膜的太阳能电池制备方法，其特征在于该方法具有以下工艺步骤：
a.将透明导电玻璃放入磁控溅射仪的样品台上，溅射靶材为高纯CdS陶瓷靶；先用真空泵对溅射室抽真空至5～20Pa，然后用分子泵对反应室抽真空至10-3Pa以下；通入氩气和氧气的混合气体，然后溅射纳米CdS:O薄膜；氩气和氧气流量比为50/1～1/10，沉积气压为0.1～10Pa，溅射功率10～500W，溅射时间0.5～10分钟；
b.将纳米CdS薄膜放入近空间升华沉积设备的样品台；将反应室抽真空至10-2Pa以下，升华源为高纯氯化镉晶体，升华源温度350～450℃，样品衬底温度350～450℃；通入氩气和氧气的混合气体，氩气和氧气流量比为50/1～1/10，腔体气压为0.5～5000Pa，热处理时间1～60分钟；
c.采用磁控溅射法或近空间升华法在纳米CdS:O薄膜衬底上制备p型CdTe薄膜或CdZnTe薄膜，再在p型薄膜上制备背电极，从而制备出太阳能电池。
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