CN101980377B - 铜铟镓硒薄膜电池的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种铜铟镓硒薄膜电池的制备方法，包括如下步骤：在玻璃衬底的一侧形成金属背电极层；从玻璃衬底远离该金属背电极层的一侧发射穿透玻璃衬底的第一激光束，以形成穿透金属背电极层的第一刻槽；在金属背电极层上及第一刻槽表面形成铜铟镓硒光吸收层；在铜铟镓硒光吸收层上形成缓冲层；在缓冲层上形成阻挡层；发射第二激光束，以在阻挡层上蚀刻形成深入至金属背电极层的第二刻槽；在阻挡层和第二刻槽表面形成窗口层；发射第三激光束，以在窗口层上蚀刻形成深入至金属背电极层的第三刻槽。上述方法制备的铜铟镓硒薄膜电池具有不易短路的优点。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种半导体器件的制备方法，特别是涉及一种铜铟镓硒薄膜电池的制备方法。
【背景技术】
铜铟镓硒(Cu(In，Ga)Se2，简称CIGS)薄膜光伏电池具有低成本、高效率、稳定性好等优点，是公认的最具有发展和市场潜力的第二代太阳能电池。人们对其研究兴起于上个世纪八十年代初，经过近三十年的发展，铜铟镓硒薄膜太阳能电池的理论研究以及制备工艺取得了可喜的成果，目前其最高实验室光电转化效率达到21.1％，是目前转化效率最高的薄膜太阳能光伏电池。
铜铟镓硒薄膜太阳能电池一般通过以下步骤制成：在衬底上形成背电极；在前电极上形成半导体层；在半导体层上形成栅电极。然而，对于大尺寸的衬底来说，由透明导电材料制成的背电极的电阻较大，由此导致能量损失较大。
一种解决上诉问题的方法是将铜铟镓硒薄膜太阳能电池通过机械划线的方法分割成多个子电池，并且将该多个子电池串联起来。
然而，请参阅图1，采用机械划线法切割背电极时，由于薄膜较脆，导致切割线的宽度不均匀，并且划线过程中会产生大量残渣、碎片，从而容易导致子电池短路。
【发明内容】
基于此，有必要提供一种避免子电池短路的制备铜铟镓硒薄膜电池的方法。
一种铜铟镓硒薄膜电池的制备方法，包括如下步骤：在玻璃衬底的一侧形成金属背电极层；从玻璃衬底远离该金属背电极层的一侧发射穿透玻璃衬底的第一激光束，以形成穿透金属背电极层的第一刻槽；蚀刻第一刻槽时，该第一刻槽宽小于等于60μm，刻蚀完毕后将该玻璃衬底浸入10～30MΩ/cm的去离子水中超声震荡清洗2～10分钟，用乙醇溶液冲洗，并用氮气吹干；在金属背电极层上及第一刻槽表面形成铜铟镓硒光吸收层；在铜铟镓硒光吸收层上形成缓冲层；在缓冲层上形成阻挡层；发射第二激光束，以在阻挡层上蚀刻形成深入至金属背电极层的第二刻槽；该第二刻槽的宽度为50～300μm，该第二刻槽与该第一刻槽的间距为200～400μm；在阻挡层和第二刻槽表面形成窗口层；发射第三激光束，以在窗口层上蚀刻形成深入至金属背电极层的第三刻槽；该第三刻槽的宽度为30～200μm，该第三刻槽与该第二刻槽的间距为200～400μm；该第一激光束、该第二激光束及该第三激光束的波长相等，并且等于532nm或248nm。
上述制备方法中，通过从玻璃衬底远离金属背电极层的一侧发射穿透玻璃衬底的第一激光束来蚀刻形成第一刻槽，可以提高蚀刻质量及清洁蚀刻残渣，使分割成的子电池的背电极绝缘效果较好，不易短路。
【附图说明】
图1为传统的铜铟镓硒薄膜电池的局部显微放大照片；
图2为一实施例的铜铟镓硒薄膜电池的结构示意图；
图3为一实施例的铜铟镓硒薄膜电池的制备方法流程图；
图4为图2所示铜铟镓硒薄膜电池的局部显微放大照片。
【具体实施方式】
下面将结合附图及实施例对铜铟镓硒薄膜电池的制备方法作进一步的详细说明。
请参阅图2，一实施例的铜铟镓硒薄膜电池100包括依次叠合的玻璃衬底10、金属背电极层20、光吸收层30、缓冲层40、阻挡层50、窗口层60。
玻璃衬底10可为钠钙玻璃衬底。
金属背电极层20可为金属钼(Mo)背电极层。金属背电极层20上开设有深入至玻璃衬底10的第一刻槽21。
光吸收层30可为p型铜铟镓硒吸收层。
缓冲层40可为CdS缓冲层。
阻挡层50可为本征高阻i-ZnO阻挡层。
窗口层60可为ZnO:Al透明高电导前电极窗口层。窗口层60上开设有深入至金属背电极层20的第三刻槽61。
请一并参阅图3，上述铜铟镓硒薄膜电池100的制备方法包括如下步骤：
步骤S101，提供一平板状的玻璃衬底10，并在玻璃衬底10的一侧形成金属背电极层20。可采用直流磁控溅射的方法在玻璃衬底10上沉积约1μm厚的Mo，以形成金属背电极层20。
步骤S102，从玻璃衬底10远离金属背电极层20的一例发射穿透玻璃衬底10的第一激光束，以形成穿透金属背电极层20的第一刻槽21，以划分出电池单元，保证各单元之间绝缘。第一激光束优选为波长范围为248～1064nm的脉冲激光，扫描速度为20～2000mm/sec，调节频率为30～80KHz。第一刻槽21的宽度不超过60微米。从玻璃衬底10远离金属背电极层20的一侧发射激光束可有效减少划线产生的残渣和碎片。刻蚀完毕后，将玻璃衬底10浸入10～30MΩ/cm的去离子水中超声震荡清洗2～10分钟，用乙醇溶液冲洗，并用氮气吹干。刻蚀完毕后，金属背电极层20位于第一刻槽21两侧的部位完全绝缘或电阻达到200～500MΩ。
步骤S103，在金属背电极层20上形成铜铟镓硒光吸收层30。可采用四源高温共蒸发工艺或者溅射硒化工艺在金属背电极层20上沉积略大于2μm厚的Cu(In，Ga)Se2薄膜，以形成铜铟镓硒光吸收层30。
步骤S104，在铜铟镓硒光吸收层30上形成缓冲层40。可通过化学水浴法在光吸收层30上形成约50nm厚的CdS，以形成缓冲层40。
步骤S105，在缓冲层40上形成阻挡层50。可通过射频磁控溅射的方法在缓冲层40沉积约50nm厚的i-ZnO，以形成阻挡层50。
步骤S106，发射第二激光束，以在阻挡层50上蚀刻形成深入至金属背电极层20的第二刻槽51，使得后续步骤形成的窗口层60与裸露的金属背电极层20接触实现相邻电池单元串联。第二激光束的波长范围为248～1064nm，优选与第一激光束的波长相同，扫描速度为20～2000mm/sec，调节频率为30～80KHz。蚀刻时，第二激光束将铜铟镓硒光吸收层30中Se元素蒸发，形成富铜熔融导电相，刻蚀区域呈现铜的金属光泽，边缘有烧结迹象。第二刻槽51的宽度为50～300μm，第二刻槽51与第一刻槽21的间距为200～400μm。刻蚀完毕后，第二刻槽51两侧的区域电阻减小。
步骤S107，在阻挡层50和第二刻槽51表面形成窗口层60。可通过射频磁控溅射的方法在阻挡层50上沉积约500nm厚ZnO:Al，以形成窗口层60。
步骤S108，发射第三激光束，以在窗口层60上蚀刻形成深入至金属背电极层20的第三刻槽61。第三激光束的波长范围为248～1064nm，优选与第一激光束的波长相同，扫描速度为20～2000mm/sec，调节频率为30～80KHz。第三刻槽61的宽度为30～300μm，第三刻槽61与第二刻槽51的间距为200～400μm。第一刻槽21、第二刻槽51与第三刻槽61的间隔控制在几百微米以内，尽量减小无用的电池死区。最后形成完整的电池单元组件，各组件间串联。
与常规CIGS薄膜光伏太阳能电池采用机械划线相比，上述激光刻蚀方法具有以下优点：蚀刻精确度高(达到微米级)，使得电池有效面积损失率小，利用率高；准确的能量控制，使得待加工膜层被整齐分割，导电层不受损伤。上述方法中，通过对铜铟镓硒薄膜电池100的金属背电极层20进行第一次激光蚀刻及后续处理，可以提高蚀刻质量及清洁蚀刻残渣，使分割成的子电池的背电极绝缘效果更好。在阻挡层50采用激光刻蚀技术进行第二次激光蚀刻，使第二刻槽51形成富铜熔融导电相，不产生划线碎片，降低了子电池短路的可能。在窗口层60表面采用激光刻蚀技术进行第三次激光蚀刻，可精确控制线间距及线宽，减少电池有效面积的损失，避免破坏金属背电极层20，形成坏点。这种全部采用激光蚀刻完成薄膜太阳能电池子电池串并联的方法，损失面积小，降低了子电池内部由于划线残渣产生的短路等缺陷，经济有效，更加适合大规模生产应用。
下面结合具体实施例来进一步说明。
实施例1：以钠钙玻璃为衬底，衬底厚2mm，用直流磁控溅射工艺溅射钼金属靶材沉积钼金属背电极层，厚度为2μm。采用532nm波长的激光束从玻璃面一侧对钼金属背电极层进行第一次蚀刻，频率30KHz，扫描速度800mm/sec，刻蚀线宽50微米。蚀刻完毕后，放入电阻为18兆欧的去离子水中超声震荡3分钟，80％乙醇溶液冲洗，高压氮气吹干。用磁控溅射后硒化工艺沉积CIGS吸收层，厚度为0.5μm。用化学水浴法沉积CdS缓冲层，厚度为0.05μm。用射频磁控溅射工艺溅射ZnO陶瓷靶材沉积本征ZnO高阻层，厚度0.05μm。采用532nm波长的激光束对本征ZnO高阻层进行第二次蚀刻，频率50KHz，扫描速度800mm/sec，线间距200微米，刻蚀线宽130微米。用射频磁控溅射工艺溅射掺杂Al2O3浓度0.2wt％的ZnO:Al陶瓷靶材制备窗口层。采用532nm波长的激光束对窗口层进行第三次蚀刻，频率50KHz，扫描速度600mm/sec，线间距200微米，刻蚀线宽100微米。至此获得层间互联的CIGS薄膜光伏太阳能电池。
图4为实施例1的CIGS薄膜光伏太阳能电池的局部显微放大照片。与图1相比较可知，与传统的机械划线法相比，上述激光蚀刻法所产生的刻槽的边缘较为平滑，刻槽宽度较小且较为均匀，电池有效面积损失率小，利用率高。
实施例2：以钠钙玻璃为衬底，衬底厚2mm，用直流磁控溅射工艺溅射钼金属靶材沉积钼金属背电极层，厚度为2μm。采用248nm波长的激光束从玻璃面一侧对钼金属背电极层进行第一次蚀刻，频率50KHz，扫描速度900mm/sec，刻蚀线宽50微米。蚀刻完毕后，放入电阻为18兆欧的去离子水中超声震荡3分钟，80％乙醇溶液冲洗，高压氮气吹干。用磁控溅射后硒化工艺沉积CIGS吸收层，厚度为0.5μm。用化学水浴法沉积CdS缓冲层，厚度为0.05μm。用射频磁控溅射工艺溅射ZnO陶瓷靶材沉积本征ZnO高阻层，厚度0.05μm。采用248nm波长的激光束对窗口层进行第二次蚀刻，频率70KHz，扫描速度800mm/sec，线间距200微米，刻蚀线宽130微米。用射频磁控溅射工艺溅射掺杂Al2O3浓度0.2wt％的ZnO:Al陶瓷靶材制备窗口层，采用248nm波长的激光束对窗口层进行第三次蚀刻，频率30KHz，扫描速度600mm/sec，线间距200微米，刻蚀线宽100微米。至此获得层间互联的CIGS薄膜光伏太阳能电池。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (1)
1.一种铜铟镓硒薄膜电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
在玻璃衬底的一侧形成金属背电极层；
从该玻璃衬底远离该金属背电极层的一侧发射穿透该玻璃衬底的第一激光束，以形成穿透该金属背电极层的第一刻槽；蚀刻第一刻槽时，该第一刻槽宽小于等于60μm，刻蚀完毕后将该玻璃衬底浸入10～30MΩ/cm的去离子水中超声震荡清洗2～10分钟，用乙醇溶液冲洗，并用氮气吹干；
在该金属背电极层上及该第一刻槽表面形成铜铟镓硒光吸收层；
在该铜铟镓硒光吸收层上形成缓冲层；
在该缓冲层上形成阻挡层；
发射第二激光束，以在该阻挡层上蚀刻形成深入至该金属背电极层的第二刻槽；该第二刻槽的宽度为50～300μm，该第二刻槽与该第一刻槽的间距为200～400μm；
在该阻挡层和该第二刻槽表面形成窗口层；
发射第三激光束，以在该窗口层上蚀刻形成深入至该金属背电极层的第三刻槽；该第三刻槽的宽度为30～200μm，该第三刻槽与该第二刻槽的间距为200～400μm；
该第一激光束、该第二激光束及该第三激光束的波长相等，并且等于532nm或248nm。
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| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: MA XUHANG TO: MA XUHANG LIU ZHUANG XIAO XUDONG |
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