CN102142484A - 多晶硅/铜铟镓硒叠层电池工艺 - Google Patents

多晶硅/铜铟镓硒叠层电池工艺 Download PDF

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王应民
李清华
蔡莉
张婷婷
李�禾
程泽秀
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Abstract

本发明是新型的多晶硅/铜铟镓硒叠层电池，结合多晶硅太阳电池和铜铟镓硒(Cu(In，Ga)Se2简称CIGS)薄膜太阳电池特点。采用多种薄膜沉积技术制备多晶硅/铜铟镓硒叠层电池，提高多晶硅/铜铟镓硒叠层电池光电转换效率。不仅能够克服晶硅太阳电池生产过程中出现的工艺复杂、能耗高等问题，同时也能解决铜铟镓硒薄膜太阳电池生产过程中出现的良品率低等问题。本叠层电池具有低成本、高的稳定性、长的使用寿命以及较高光电转换效率，具有比较好的开发价值。

Description

多晶硅/铜铟镓硒叠层电池工艺
技术领域
本发明是涉及多晶硅太阳电池和铜铟镓硒(Cu(In，Ga)Se2简称CIGS)薄膜太阳电池，通过多种技术工艺制备出多晶硅/铜铟镓硒叠层电池，其光电转换效率高于多晶硅太阳电池和铜铟镓硒薄膜太阳电池。涉及晶体生长技术、器件物理和新型太阳能电池，属于新材料技术以及新能源技术领域。
背景技术
众所周知，利用太阳能有许多优点，光伏发电将为人类提供主要的能源，但目前来讲，要使太阳能发电具有较大的市场，被广大的消费者接受，提高太阳电池的光电转换效率，降低生产成本应该是我们追求的最大目标。随着对多晶硅材料、器件物理、光学特性认识的加深，多晶硅电池的制作工艺不断向前发展，电池的结构更趋合理，电池的效率不断提高，导致实验室水平和工业化大生产的距离不断缩小。铜铟镓硒薄膜太阳电池在薄膜太阳电池中最具代表性，具备光电转换效率高、成本低、性能稳定、抗辐射能力强等特点，铜铟镓硒薄膜太阳电池被学术界和产业界普遍认为是最有发展前景的太阳电池之一。
本专利结合多晶硅和铜铟镓硒薄膜太阳电池特点，制备高性能的新型多晶硅/铜铟镓硒叠层太阳电池，提高太阳电池光电转换效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有高性能的多晶硅/铜铟镓硒叠层电池，叠层电池分为上电池和下电池，上电池为铜铟镓硒电池，下电池为多晶硅电池，结合了铜铟镓硒薄膜太阳电池和硅基太阳电池的优点，取长补短，提高电池的光电转换效率。
本发明的技术方案是这样的：一、p型多晶硅片经过酸制绒、磷扩散，去除磷硅玻璃，得到具有p-n结的多晶硅片。二、在具有p-n结的多晶硅片上，继续沉积n+-ZnO薄膜，然后使用共蒸发或溅射后硒化技术沉积p+-CuGaSe2和p-Cu(In，Ga)Se2薄膜，磁控溅射或化学气相沉积技术沉积i-ZnO、ZnO:Al，最后在ZnO:Al薄膜上蒸镀镍铝上电极，多晶硅背面蒸镀镍铝背电极，得到多晶硅/铜铟镓硒叠层电池。三，通过上述方法，可以提高太阳电池的光电转化效率，电池具有稳定性好，制造成本低等特点。
所制备的多晶硅/铜铟镓硒叠层电池的方法，通过如下步骤实现：
一、首先将p型多晶硅片置于HF/HNO3/去离子水混合酸中，在温度为5℃-8℃下制绒，得到表面织构的多晶硅，然后在POCl3/O2气氛下磷化处理，HF酸清洗去除磷硅玻璃，得到方块电阻为40-80Ω/□的p-n结多晶硅下电池。
二、加热多晶硅下电池，沉积n+-ZnO薄膜。
三、采用多元共蒸发或溅射后硒化技术，先后分别沉积p+-CuGaSe2、p-Cu(In，Ga)Se2薄膜。
四、在p-Cu(In，Ga)Se2薄膜上沉积i-ZnO薄膜，得到高阻缓冲层。
五、在i-ZnO薄膜上，继续沉积ZnO:Al薄膜。
六、在ZnO:Al薄膜上，蒸镀镍铝上电极。
七、在多晶硅背面蒸镀镍铝电极，这样就制作出多晶硅/铜铟镓硒叠层电池。
具体实施方式
多晶硅/铜铟镓硒叠层电池分为上电池和下电池，上电池为铜铟镓硒电池，下电池为多晶硅电池。
一、首先将电阻率为3.0Ω·cm p型多晶硅片，置于HF/HNO3/去离子水混合酸中，在温度为8℃下，制绒时间为2.5min，得到表面织构的多晶硅；然后在温度为800℃下，POCl3/O2气氛下磷化处理；最后用HF/去离子水清洗去除磷硅玻璃，得到方块电阻为60Ω/□的p-n结多晶硅下电池。
二、在具有p-n结的多晶硅下电池上，使用等离子体增强化学气相沉积技术沉积n+-ZnO薄膜，其中Zn源为二乙基锌或二甲基锌，氧源为H2和CO2混合气体。具体实现：待反应室抽真空至1×10-3Pa时，开始加热下电池，升高到衬底温度为250℃，打开载气和反应源，通入氩气调节反应腔的真空度，使工作气压为80Pa，Zn源∶氧源＝1∶0.6-1∶0.9，与此同时打开等离子体，两极电压为Vd＝250-280V，沉积时间为10min，保温10min。
三、铜镓硒和铜铟镓硒薄膜的生长采用多元共蒸发技术，工艺如下：第一步蒸发99.9999％的金属Cu，Ga和Se，蒸发时间为10min，衬底温度为450℃，得到CuGaSe2；第二步蒸发In、Ga、Cu和Se，蒸发时间为20min，衬底温度为550℃，得到p-Cu(In，Ga)Se2薄膜。
四、i-ZnO薄膜制备：使用等离子体增强化学气相沉积技术沉积i-ZnO薄膜，通入氩气调节反应腔的真空度，使工作气压为80Pa，主要调节Zn源和氧源的比例，Zn源∶氧源＝1∶1.0-1∶1.4，两极电压为Vd＝320V，沉积10min。
五、ZnO∶Al薄膜制备：采用磁控溅射方法，采用ZnO:Al靶材，通入Ar气使工作气压为5Pa，两极电压为Vd＝320V，溅射时间为10min。
六、上电极的制备：采用镍铝合金制作叠层电池的上电极，为了防止Al扩散到电池内部，常蒸发Al之前先蒸发一层Ni层。工艺条件为真空1×10-4Pa，先蒸发Ni，缓慢将电压升高，开挡板，蒸镀5s，然后再升高电压，蒸镀2-5min。
七、背电极的制备：采用镍铝合金制作叠层电池的背电极，工艺条件为真空1×10-4Pa，先蒸发Ni，缓慢将电压升高，开挡板，蒸镀5s，然后再升高电压，蒸镀5min。这样就完成了叠层电池的制备。

Claims (5)

1.多晶硅/铜铟镓硒叠层电池其特征在于：结合了多晶硅太阳电池和铜铟镓硒薄膜太阳电池特点，提高叠层电池的光电转换效率。
2.如专利权利要求书1所述的多晶硅/铜铟镓硒叠层电池，该电池的结构特征在于：该叠层电池分为上电池和下电池，上电池为铜铟镓硒电池，下电池为多晶硅电池。
3.如专利权利要求书1，2所述的多晶硅/铜铟镓硒叠层电池，该电池的制备技术特征在于：1)p型多晶硅片经过酸制绒、磷扩散，去除磷硅玻璃，得到具有p-n结的多晶硅下电池。2)在具有p-n结的多晶硅下电池上，继续沉积n+-ZnO薄膜，然后使用共蒸发或溅射后硒化技术沉积p+-CuGaSe2和p-Cu(In，Ga)Se2薄膜，磁控溅射或化学气相沉积技术沉积i-ZnO、ZnO:Al，最后ZnO:Al薄膜上蒸镀镍铝上电极，多晶硅背面蒸镀镍铝背电极，得到多晶硅/铜铟镓硒叠层电池。
4.如专利权利要求书2，3所述的多晶硅/铜铟镓硒叠层电池，可以通过改变上电池和下电池中各层的薄膜厚度和成分，可以得到一系列具有不同性能的多晶硅/铜铟镓硒叠层电池。
5.如专利权利要求书3所述的多晶硅/铜铟镓硒叠层电池的制备技术的具体工艺特征在于：1)首先将电阻率为0.5Ω·cm-3.0Ω·cm p型多晶硅片置于HF/HNO3/去离子水混合酸中，在温度为5℃-8℃下，制绒时间为2.0-2.5min，得到表面织构的多晶硅；然后在温度为750-850℃下，POCl3/O2气氛下磷化处理；最后用HF/去离子水清洗去除磷硅玻璃，得到方块电阻为40-80Ω/□的p-n结多晶硅下电池。2)在具有p-n结的多晶硅下电池上，使用等离子体增强化学气相沉积技术沉积n+-ZnO薄膜，其中Zn源为二乙基锌或二甲基锌，氧源为H2和CO2混合气体。具体实现：待反应室抽真空至1×10-3Pa时，开始加热下电池，升高到沉积温度200-400℃，打开载气和反应源，通入氩气调节反应腔的真空度，使工作气压为10-100Pa，Zn源∶氧源＝1∶0.6-0.9，与此同时打开等离子体，两极电压为Vd＝200-300V，沉积5-20min，保温5-20min。3)铜镓硒和铜铟镓硒薄膜的生长采用多元共蒸发技术，工艺如下：第一步蒸发99.9999％的金属Cu，Ga和Se，蒸发时间为5-20min，衬底温度为350-450℃，得到CuGaSe2；第二步蒸发In、Ga、Cu和Se，蒸发时间为10-30min，衬底温度为450-600℃，得到p-Cu(In，Ga)Se2薄膜。4)i-ZnO薄膜制备：使用等离子体增强化学气相沉积技术沉积i-ZnO薄膜，通入氩气调节反应腔的真空度，使工作气压为10-100Pa，主要调节Zn源和氧源的比例，Zn源∶氧源＝1∶1.0-1.4，两极电压为Vd＝200-300V，沉积5-20min。5)ZnO:Al薄膜制备：采用磁控溅射方法，采用ZnO:Al靶材，通入Ar气使工作气压为4.0-10Pa，两极电压为Vd＝200-300V，沉积10-20min。溅射时间为10-30min。6)上电极的制备：采用镍铝合金制作叠层电池的上电极，为了防止Al扩散到电池内部，常蒸发Al之前先蒸发一层Ni层。工艺条件为真空1×10-4Pa，先蒸发Ni，缓慢将电压升高，开挡板，蒸镀10-20s，然后再升高电压，蒸镀2-5min。7)背电极的制备：采用镍铝合金制作叠层电池的背电极，工艺条件为真空1×10-4Pa，先蒸发Ni，缓慢将电压升高，开挡板，蒸镀10-20s，然后再升高电压，蒸镀2-5min，这样就完成了叠层电池的制备。
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