CN102522437A - 铜铟镓硒太阳能电池装置及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铜铟镓硒太阳能电池装置，包括依次层叠设置的衬底、背电极层、铜铟镓硒光吸收层、缓冲层、阻挡层及导电窗口层，其中，导电窗口层为n型的石墨烯薄膜。石墨烯薄膜作为CIGS太阳能电池装置的导电窗口层，除了比传统导电窗口层ZnO:Al薄膜具有更低方块电阻外，还可以避免ZnO:Al薄膜导致的近红外光波段的损耗，提高电池对光的利用率，进而优化电池性能。此外，本发明还涉及一种铜铟镓硒太阳能电池装置的制备方法。
Description
【技术领域】
本发明涉及太阳能电池领域，尤其涉及一种铜铟镓硒太阳能电池装置及其制备方法。
【背景技术】
铜铟镓硒(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，经过三十多年发展，CIGS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。CIGS薄膜太阳能电池的最高实验室光电转化效率达到20.3％，是目前转化效率最高的薄膜光伏电池。
传统的CIGS薄膜光伏电池普遍采用ZnO:Al透明电极作为窗口层，由于ZnO:Al薄膜具有较高的载流子浓度(1020～1021cm-3)，使得薄膜在近红外波段具有较高的自由载流子吸收，此部分的光损耗，降低了电池的有效光利用率，最终降低了电池性能。尽管研究工作者通过对薄膜工艺进行改善，降低Al的浓度同时进行掺H处理，或者对窗口层进行绒面处理形成陷光结构，但是这些方法并不能完全避免窗口层薄膜在近红外波段的吸收损耗，而且使电池的制备工艺更加繁琐，不利于CIGS薄膜电池成本的降低。
【发明内容】
基于此，有必要提供一种有效光利用率较高的铜铟镓硒太阳能电池装置及其制备方法。
一种铜铟镓硒太阳能电池装置，包括依次层叠设置的衬底、背电极层、铜铟镓硒光吸收层、缓冲层、阻挡层及导电窗口层，所述导电窗口层为n型的石墨烯薄膜。
在优选的实施方式中，所述n型的石墨烯薄膜包括多层层叠设置的单层石墨烯。
进一步优选的，所述多层是4层。
在优选的实施方式中，所述衬底的材料为玻璃、不锈钢或柔性聚合物；所述背电极层的材料为钼；所述缓冲层的材料为硫化镉；所述阻挡层的材料为i-ZnO。
一种铜铟镓硒太阳能电池装置的制备方法，包括如下步骤：在衬底上制备依次层叠设置的背电极层、铜铟镓硒光吸收层、缓冲层及阻挡层；在所述阻挡层表面粘合石墨烯薄膜；对所述石墨烯薄膜处理形成n型的石墨烯薄膜作为导电窗口层；及对所述n型的石墨烯薄膜与所述阻挡层之间进行键合处理，得到所述铜铟镓硒太阳能电池。
在优选的实施方式中，在衬底上制备依次层叠设置的背电极层、铜铟镓硒光吸收层、缓冲层及阻挡层包括如下步骤：使用磁控溅射钼金属靶材沉积得到钼金属层作为背电极层；使用磁控溅射硒化或者四源共蒸发工艺制备铜铟镓硒光吸收层；使用化学水浴法沉积硫化镉得到硫化镉层作为缓冲层；使用射频磁控溅射氧化锌陶瓷靶材沉积i-ZnO高阻层作为阻挡层，其中，所述射频磁控溅射氧化锌陶瓷靶材过程中功率密度为0.5～0.8W/cm2，溅射时间为10min～15min，气流体积比Ar∶O2为10∶1。
在优选的实施方式中，所述石墨烯薄膜为单层石墨烯，所述在阻挡层表面粘合石墨烯薄膜包括如下步骤：用化学气相沉积法在金属基底上制备单层石墨烯；在所述单层石墨烯表面涂覆一层树脂载体；腐蚀去除所述金属基底，洗净后得到粘有树脂载体的所述单层石墨烯；将粘有树脂载体的单层石墨烯贴附在所述阻挡层表面；以及溶解去除树脂载体。
在优选的实施方式中，所述石墨烯薄膜为多层层叠设置的单层石墨烯，所述在阻挡层表面粘合石墨烯薄膜包括如下步骤：用化学气相沉积法在金属基底上制备单层石墨烯；在所述单层石墨烯表面涂覆一层树脂载体；腐蚀去除所述金属基底，洗净后得到粘有树脂载体的所述单层石墨烯；将粘有树脂载体的单层石墨烯贴附在所述阻挡层表面；溶解去除树脂载体；以及重复上述步骤将多层的单层石墨烯贴附在所述阻挡层表面。
在优选的实施方式中，所述用化学气相沉积法在金属基底上制备单层石墨烯薄膜包括如下步骤：室温下，将清洗后的金属基底放入化学气相沉积炉中，抽真空后通入氢气，并调节氢气流量至炉中气压为250～350毫托；升温至900～1000℃，将所述金属基底在氢气氛围下退火20～30分钟；向炉中通入甲烷，调节甲烷流量为10sccm，并控制氢气流量为5sccm，保持加热温度不变，反应25～35分钟后降温至室温，取出金属基底，所述金属基底表面即沉积有单层石墨烯。
在优选的实施方式中，对所述石墨烯薄膜处理形成n型的石墨烯薄膜的步骤包括：将前步骤制得的结构置于体积浓度为20％～99％的乙醇水溶液中浸泡或者其蒸汽中浸没处理10～15分钟，或者将前步骤制得的结构置于体积浓度为5％～35％的氨水中浸泡或者其蒸汽中浸没处理10～15分钟，最后通入氮气吹干，对石墨烯薄膜进行n型掺杂。
在优选的实施方式中，所述对n型的石墨烯薄膜与阻挡层之间进行键合处理包括如下步骤：将制得包含n型的石墨烯薄膜和阻挡层的结构置于真空度为10-3～10-6pa的真空环境中，通入乙醇蒸汽，维持气压在0.01Pa～0.1Pa，再在所述石墨烯薄膜的表面均匀施加5～10个大气压，维持压力10分钟～10小时。
石墨烯薄膜的方块电阻可以达到30Ω/□，且几乎是透明的，薄膜在可见光和近红外波段的透过率高达97.4％。因此石墨烯薄膜作为CIGS太阳能电池装置的导电窗口层，除了比传统导电窗口层ZnO:Al薄膜具有更低方块电阻外，还可以避免ZnO:Al薄膜导致的近红外光波段的损耗，提高电池对光的利用率，进而优化电池性能。对于相同的方块电阻，所需石墨烯薄膜的厚度远小于ZnO:Al薄膜的厚度，并且由于制备石墨烯薄膜所用的碳原料自然界中来源广泛，因此用石墨烯作为电池的导电窗口层材料可以大大降低导电窗口层的制备成本，最终降低电池的总成本。此外，相比较传统的ZnO:Al薄膜在高强度拉应力下容易破裂，石墨烯薄膜的柔韧性好，更适用于大面积柔性薄膜电池。
具有新型透明导电窗口层的CIGS太阳能电池装置制备工艺建立在现有电池的制备工艺基础上，导电窗口层不需要溅射工艺，只需直接覆盖在电池结构中，经过简单的键合处理，层与层间通过范德华力紧密结合起来，工艺简化，经济有效。
【附图说明】
图1为一实施方式的CIGS太阳能电池装置的结构示意图；
图2为一实施方式的CIGS太阳能电池装置的制备流程示意图；
图3为实施例1中石墨烯薄膜与阻挡层接触界面性质测量示意图；
图4为实施例1中石墨烯薄膜与阻挡层接触界面性质的电流电压(I-V)图，其中横坐标为电压(Voltage，单位V)，纵坐标为电流(Current，单位A)；
图5为实施例1制得的CIGS薄膜型太阳能电池装置性能AMPS-1D软件模拟结果图。
【具体实施方式】
下面主要结合附图及具体实施例对铜铟镓硒太阳能电池装置及其制备方法作进一步详细的说明。
如图1所示，一实施方式的铜铟镓硒太阳能电池装置100，主要包括依次层叠设置的衬底110、背电极层120、铜铟镓硒光吸收层130、缓冲层140、阻挡层150及导电窗口层160。此外，还包括设于导电窗口层160上的减反膜层170栅电极180，栅电极180穿过所述减反膜层170。
衬底110的材料可以为玻璃、不锈钢或者柔性聚合物(如聚酰亚胺(PI)柔性聚合物)等。背电极层120的材料优选钼。缓冲层140的材料优选硫化镉(CdS)。阻挡层150优选i-ZnO高阻层。减反膜层170的材料优选氟化镁，栅电极180优选Ni/Al电极。可以理解，减反膜层170和栅电极180也可省略。
本实施方式的导电窗口层160为n型的石墨烯薄膜。优选的，该石墨烯薄膜可以由单层或多层依次层叠设置的单层石墨烯构成，进一步优选由4层单层石墨烯构成。单层石墨烯层叠设置在阻挡层150之上。
单层石墨烯的方块电阻可以达到30Ω/□，通过叠层后方块电阻随层数变化呈线性递减，石墨烯薄膜几乎是透明的，而且单层薄膜只吸收2.3％的光，薄膜在可见光和近红外波段的透过率高达97.4％。因此石墨烯薄膜作为CIGS太阳能电池的导电窗口层，除了比传统导电窗口层ZnO:Al薄膜具有更低方块电阻外，还可以避免ZnO:Al薄膜导致的近红外光波段的损耗，提高电池对光的利用率，进而优化电池性能。同时，叠层的石墨烯薄膜导电窗口层具有电阻和透过率可控等优点。
对于相同的方块电阻，所需石墨烯薄膜的厚度远小于ZnO:Al薄膜的厚度，并且由于制备石墨烯薄膜所用的碳原料自然界中来源广泛，因此用石墨烯作为电池的导电窗口层材料可以大大降低导电窗口层的制备成本，最终降低电池的总成本。
此外，相比较传统的ZnO:Al薄膜在高强度拉应力下容易破裂，石墨烯薄膜的柔韧性好，更适用于大面积柔性薄膜电池。
一实施方式的铜铟镓硒太阳能电池装置的制备方法，如图2所示，包括如下步骤：
步骤S1：在衬底上制备依次层叠设置的背电极层、铜铟镓硒光吸收层、缓冲层及阻挡层。
衬底可以为玻璃、不锈钢或者聚合物柔性衬底等。背电极层优选钼金属层。缓冲层优选CdS层。阻挡层优选i-ZnO高阻层。
使用但不局限于磁控溅射钼金属靶材沉积钼背电极层；使用但不局限于磁控溅射硒化或者四源共蒸发工艺制备CIGS光吸收层，沉积的吸收层厚度约为2μm；使用但不局限于化学水浴法沉积CdS或者其他可替代CdS的材料作为缓冲层。使用但不局限于用射频磁控溅射氧化锌陶瓷靶材沉积i-ZnO高阻层。
此外，为了避免i-ZnO层表面粗糙度太大，导致i-ZnO薄膜与后续石墨烯薄膜形成点接触而产生较大的接触阻抗，工艺中尽量选用功率密度较小的条件下沉积i-ZnO高阻层，以获得表面粗糙度较小的i-ZnO层。实验中优选的功率密度为0.5～0.8W/cm2，溅射时间为10min～15min，气流比Ar∶O2＝10∶1，厚度约为50nm～60nm，表面粗糙度约为5～8nm。但i-ZnO高阻层的表面粗糙度也不能太小，以免导致i-ZnO高阻层表面太光滑导致光反射增大。
步骤S2：在阻挡层表面粘合石墨烯薄膜，具体包括如下步骤：
步骤S21，用化学气相沉积法(CVD)在金属基底上制备单层石墨烯：高温条件下，通过化学气相沉积法，在碳源气体、H2或H2与Ar的混合气体氛围中，以金属基底为催化剂制备低方块电阻、高透过率的单层石墨烯。
例如可以通过下述步骤来实现：将清洗后的Cu片放入CVD炉中，开机械泵，抽气至本底真空(约十几个毫托)；调节流量计通入一定量H2，如20sccm，并调节气压调节阀，维持腔体气压约300mTorr；紧接升温至900～1000℃，在此温度下高温氢气退火约20～30min；此时打开CH4流量控制，使流量为10sccm，调节H2流量为5sccm，此时工作气压约为350mTorr，保持加热温度不变，整个过程持续约30min；结束后降温，取出Cu基底，该Cu基底上即沉积有单层石墨烯。
步骤S22：在单层石墨烯表面涂覆树脂载体：通过旋转涂覆法在单层石墨烯表面涂覆一层树脂载体，如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等。
优选的，还包括在涂覆树脂载体之后将金属基底无胶的一面置于等离子清洗器中处理的步骤，以去除背面无用的石墨烯。
步骤S23：腐蚀去除金属基底，洗净后得到粘有树脂载体的单层石墨烯：将涂有树脂载体的单层石墨烯连通金属基底放在一定浓度的强氧化性金属盐溶液中，通过氧化还原腐蚀掉单层石墨烯上的金属基底。如金属基底为Cu基底时，可以选用FeCl3溶液腐蚀去除Cu基底。最后用盐酸和去离子水清洗涂有树脂载体的单层石墨烯若干次。
步骤S24：将粘有树脂载体的单层石墨烯贴附在阻挡层表面：将含有树脂载体的单层石墨烯贴附在上述制得的阻挡层表面，再将得到的结构置于丙酮等溶剂中除去树脂载体，最后置于去离子水中清洗2～3次，以除去残留的丙酮溶液。
对于设置多层单层石墨烯作为光吸收层的CIGS太阳能电池，可以重复上述S21～S24步骤，以得到所需层数的CIGS太阳能电池。
步骤S3：对石墨烯薄膜处理形成n型的石墨烯薄膜作为导电窗口层。
优选的，可以将叠层结构的石墨烯薄膜置于体积浓度为20％～99％的乙醇水溶液中浸泡或者其蒸汽中浸没处理10～15分钟，或者将制得的结构置于体积浓度为5％～35％的氨水中浸泡或者其蒸汽中浸没处理10～15分钟，使石墨烯薄膜与阻挡层的接触表面羟基化，形成氢键，从而增加石墨烯薄膜与阻挡层之间的粘附性，最后通入氮气吹干。将石墨烯薄膜处理成n型，可以增加载流子浓度，从而进一步降低石墨烯薄膜的面电阻，从而降低所得CIGS太阳能电池的串联电阻，提高电池的转换效率。
步骤S4：对n型的石墨烯薄膜与阻挡层之间进行键合处理，以增加石墨烯薄膜与阻挡层之间的表面粘附性，得到铜铟镓硒太阳能电池，具体如下：
将制得的结构置于半导体工艺的键合系统中，控制真空度在10-3～10-6pa，通入乙醇蒸汽维持气压在0.01Pa～0.1Pa，再在石墨烯薄膜的表面均匀施加5～10个大气压力以增加石墨烯薄膜与阻挡层之间的氢键密度而增加二者表面的粘附性，维持压力10分钟～10小时。
步骤S5：在石墨烯薄膜表面沉积栅电极和减反膜层。
具有新型透明导电窗口层的CIGS太阳能电池制备工艺建立在现有电池的制备工艺基础上，导电窗口层不需要溅射工艺，只需直接覆盖在电池结构中，经过简单的键合处理，层与层间通过范德华力紧密结合起来，工艺简化，经济有效。
以下为具体实施例部分：
实施例1：
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，厚度约为1μm；用三步共蒸法沉积CIGS光吸收层，厚度为2μm；用化学水浴法沉积CdS缓冲层，厚度约为50nm；用射频磁控溅射工艺溅射ZnO陶瓷靶材沉积i-ZnO高阻层，功率密度为0.5W/cm2，溅射时间为15min，气流比Ar∶O2＝10∶1，厚度约为50nm；由此得到Mo/CIGS/CdS/i-ZnO结构。
2.用化学气相沉积方法制备单层石墨烯。将清洗后的Cu片放入CVD炉中，打开机械泵，抽气至本底真空为3mTorr。调节流量计通入20sccm H2，并调节气压调节阀，维持腔体气压约300mTorr。紧接升温至1000℃，在此温度下高温氢气退火约25min。此时打开CH4流量控制，使流量为10sccm，调节H2流量为5sccm，此时工作气压约为350mTorr，保持加热温度不变，整个过程持续约30min。结束后降温，取出样品，即在Cu基底上制备出单层石墨烯。
3.通过旋转涂覆法在Cu基底上的单层石墨烯表面涂覆一层PMMA。将匀胶后的Cu片无胶一面放入等离子清洗器中，用空气plasma处理，去掉背面无用的石墨烯。将涂有PMMA的石墨烯的Cu片放在溶液中，腐蚀掉Cu片，再用HCl和去离子水清洗若干次。然后将PMMA支撑的单层石墨烯与Mo/CIGS/CdS/i-ZnO结构基底贴附，放入在丙酮中去胶后用去离子水清洗2次，除去Mo/CIGS/CdS/i-ZnO结构与石墨烯表面残余的丙酮溶液。重复以上转移步骤，将四层单层石墨烯依次叠层在Mo/CIGS/CdS/i-ZnO结构上。
4.然后将附着有叠层石墨烯结构的Mo/CIGS/CdS/i-ZnO结构在体积浓度为70％乙醇水溶液中浸泡10min，使石墨烯薄膜与i-ZnO界面羟基化，形成氢键，同时石墨烯薄膜被掺杂为n型。最后将结合后的样品放置在本底真空10-4Pa环境中，通入乙醇蒸汽维持工作气压0.05Pa，施加5个大气压，进行5小时的键合。这样叠层的石墨烯薄膜就与Mo/CIGS/CdS/i-ZnO结构紧密结合在一起，构造成新型的石墨烯透明导电窗口层的CIGS太阳能电池装置。
实施例2：
1.以不锈钢为衬底，衬底厚0.05mm；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，厚度约为1μm；用三步共蒸法沉积CIGS光吸收层，厚度为2μm；用化学水浴法沉积CdS缓冲层，厚度约为50nm；用射频磁控溅射工艺溅射ZnO陶瓷靶材沉积i-ZnO高阻层，功率密度为0.5W/cm2，溅射时间为15min，气流比Ar∶O2＝10∶1，厚度约为50nm；由此得到Mo/CIGS/CdS/i-ZnO结构。
2.用化学气相沉积方法制备单层石墨烯。将清洗后的Cu片放入CVD炉中，打开机械泵，抽气至本底真空为6mTorr。调节流量计通入20sccm H2，并调节气压调节阀，维持腔体气压约300mTorr。紧接升温至1000℃，在此温度下高温氢气退火约25min。此时打开CH4流量控制，使流量为10sccm，调节H2流量为5sccm，此时工作气压约为350mTorr，保持加热温度不变，整个过程持续约30min。结束后降温，取出样品，即在Cu基底上制备出单层石墨烯。
3.通过旋转涂覆法在Cu基底上的单层石墨烯涂覆一层PMMA。将匀胶后的Cu片无胶一面放入等离子清洗器中，用空气plasma处理，去掉背面无用的石墨烯。将涂有PMMA的石墨烯的Cu片放在溶液中，腐蚀掉Cu片，再用HCl和去离子水清洗若干次。然后将PMMA支撑的单层石墨烯与Mo/CIGS/CdS/i-ZnO结构基底贴附，放入在丙酮中去胶后用去离子水清洗2次，除去Mo/CIGS/CdS/i-ZnO结构与石墨烯表面残余的丙酮溶液。重复以上转移步骤，将四层单层石墨烯依次叠层在Mo/CIGS/CdS/i-ZnO结构上。
4.然后将附着有叠层石墨烯结构的Mo/CIGS/CdS/i-ZnO结构在体积浓度为50％乙醇水溶液的蒸汽中浸没15min，使石墨烯薄膜与i-ZnO界面羟基化，形成氢键，同时石墨烯薄膜被掺杂为n型。最后将结合后的样品放置在本底真空10-4Pa环境中，通入乙醇蒸汽维持工作气压0.05Pa，施加5个大气压，进行5小时的键合。这样叠层的石墨烯薄膜就与Mo/CIGS/CdS/i-ZnO结构紧密结合在一起，构造成新型的石墨烯透明导电窗口层的CIGS太阳能电池装置。
实施例3：
1.以聚酰亚胺(PI)柔性聚合物为衬底，衬底厚25μm；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，厚度约为1μm；用三步共蒸法沉积CIGS光吸收层，厚度为2μm；用化学水浴法沉积CdS缓冲层，厚度约为50nm；用射频磁控溅射工艺溅射ZnO陶瓷靶材沉积i-ZnO高阻层，功率密度为0.5W/cm2，溅射时间为15min，气流比Ar∶O2＝10∶1，厚度约为50nm；由此得到Mo/CIGS/CdS/i-ZnO结构。
2.用化学气相沉积方法制备单层石墨烯。将清洗后的Cu片放入CVD炉中，打开机械泵，抽气至本底真空为2mTorr。调节流量计通入20sccm H2，并调节气压调节阀，维持腔体气压约300mTorr。紧接升温至1000℃，在此温度下高温氢气退火约25min。此时打开CH4流量控制，使流量为10sccm，调节H2流量为5sccm，此时工作气压约为350mTorr，保持加热温度不变，整个过程持续约30min。结束后降温，取出样品，即在Cu基底上制备出单层石墨烯。
3.通过旋转涂覆法在Cu基底上的石墨烯表面涂覆一层PMMA。将匀胶后的Cu片无胶一面放入等离子清洗器中，用空气plasma处理，去掉背面无用的石墨烯。将涂有PMMA的石墨烯的Cu片放在溶液中，腐蚀掉Cu片，再用HCl和去离子水清洗若干次。然后将PMMA支撑的单层石墨烯与Mo/CIGS/CdS/i-ZnO结构基底贴附，放入在丙酮中去胶后用去离子水清洗2次，除去Mo/CIGS/CdS/i-ZnO结构与石墨烯表面残余的丙酮溶液。
4.然后将附着有单层石墨烯结构的Mo/CIGS/CdS/i-ZnO结构在体积浓度20％的氨水中浸泡10min，使石墨烯薄膜与i-ZnO界面羟基化，形成氢键，同时石墨烯薄膜被掺杂为n型。最后将结合后的样品放置在本底真空10-5Pa环境中，通入乙醇蒸汽维持工作气压0.1Pa，施加5个大气压，进行4小时的键合。这样单层石墨烯就与Mo/CIGS/CdS/i-ZnO结构紧密结合在一起，构造成新型的透明导电窗口层CIGS薄膜太阳能电池装置。
实施例4：
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，厚度约为1μm；用三步共蒸法沉积CIGS光吸收层，厚度为2μm；用化学水浴法沉积CdS缓冲层，厚度约为50nm；用射频磁控溅射工艺溅射ZnO陶瓷靶材沉积i-ZnO高阻层，功率密度为0.5W/cm2，溅射时间为15min，气流比Ar∶O2＝10∶1，厚度约为50nm；由此得到Mo/CIGS/CdS/i-ZnO结构。
2.用化学气相沉积方法制备单层石墨烯。将清洗后的Cu片放入CVD炉中，打开机械泵，抽气至本底真空为5mTorr。调节流量计通入20sccm H2，并调节气压调节阀，维持腔体气压约300mTorr。紧接升温至1000℃，在此温度下高温氢气退火约25min。此时打开CH4流量控制，使流量为10sccm，调节H2流量为5sccm，此时工作气压约为350mTorr，保持加热温度不变，整个过程持续约30min。结束后降温，取出样品，即在Cu基底上制备出单层石墨烯。
3.通过旋转涂覆法在Cu基底上的石墨烯表面涂覆一层PMMA。将匀胶后的Cu片无胶一面放入等离子清洗器中，用空气plasma处理，去掉背面无用的石墨烯。将涂有PMMA的石墨烯的Cu片放在溶液中，腐蚀掉Cu片，再用HCl和去离子水清洗若干次。然后将PMMA支撑的单层石墨烯与Mo/CIGS/CdS/i-ZnO结构基底贴附，放入在丙酮中去胶后用去离子水清洗2次，除去Mo/CIGS/CdS/i-ZnO结构与石墨烯表面残余的丙酮溶液。重复以上转移步骤，将四层单层石墨烯依次叠层在Mo/CIGS/CdS/i-ZnO结构上。
4.然后将附着有叠层石墨烯结构的Mo/CIGS/CdS/i-ZnO结构在体积浓度35％的氨水蒸汽中浸没15min，使石墨烯薄膜与i-ZnO界面羟基化，形成氢键，同时石墨烯薄膜被掺杂为n型。最后将结合后的样品放置在本底真空10-5Pa环境中，通入乙醇蒸汽维持工作气压0.1Pa，施加5个大气压，进行4小时的键合。这样叠层的石墨烯薄膜就与Mo/CIGS/CdS/i-ZnO结构紧密结合在一起，构造成新型的透明导电窗口层CIGS薄膜太阳能电池装置。
为研究石墨烯薄膜与i-ZnO高阻层的接触界面，通过对实施例1的太阳能电池装置在石墨烯和i-ZnO层两面溅射或者蒸发沉积电极，进行I-V测量，实验实施图及结果见图3和图4。测量结果表明，石墨烯薄膜与i-ZnO高阻层之间的接触为欧姆接触。不存在形成反型PN结或者肖特基结，因而验证了石墨烯能够应用于CIGS太阳能电池装置中。通过用太阳能电池装置软件AMPS-1D对该新型窗口层CIGS电池装置性能模拟，初步的模拟结果显示得到的电池装置光电转换效率为12.25％，短路电流为27.669mA/cm2，开路电压为578mV，填充因子为0.765。见附图5。由模拟结果可见，石墨烯窗口层可以与CIGS结构匹配起来并且能够达到较高的效率，另外，通过优化电池装置其他薄膜层的参数，还可以进一步优化电池装置的性能，提高电池装置的转换效率。由此可见，以石墨烯薄膜作为导电窗口层的CIGS太阳能电池装置确实、有效、可行。
其中，上述用到的太阳能电池软件AMPS-1D是一款由宾夕法尼亚州立大学开发的器件光电性能数值模拟软件。其基于泊松方程、电子和空穴连续性方程，可用以研究所设计结构元件的器件物理以及预期改变材料参数以及元件结构之后，对整体性能造成的影响。用AMPS-1D软件数值模拟铜铟镓硒太阳能电池装置，通过输入电池结构中石墨烯薄膜、i-ZnO层、缓冲层、铜铟镓硒光吸收层等材料参数，用以模拟电池装置性能。
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 (11)
1.一种铜铟镓硒太阳能电池装置，包括依次层叠设置的衬底、背电极层、铜铟镓硒光吸收层、缓冲层、阻挡层及导电窗口层，其特征在于，所述导电窗口层为n型的石墨烯薄膜。
2.如权利要求1所述的铜铟镓硒太阳能电池装置，其特征在于，所述n型的石墨烯薄膜包括多层层叠设置的单层石墨烯。
3.如权利要求2所述的铜铟镓硒太阳能电池装置，其特征在于，所述多层是4层。
4.如权利要求1所述的铜铟镓硒太阳能电池装置，其特征在于，所述衬底的材料为玻璃、不锈钢或柔性聚合物；所述背电极层的材料为钼；所述缓冲层的材料为硫化镉；所述阻挡层的材料为i-ZnO。
5.一种铜铟镓硒太阳能电池装置的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
在衬底上制备依次层叠设置的背电极层、铜铟镓硒光吸收层、缓冲层及阻挡层；
在所述阻挡层表面粘合石墨烯薄膜；
对所述石墨烯薄膜处理形成n型的石墨烯薄膜作为导电窗口层；及
对所述n型的石墨烯薄膜与所述阻挡层之间进行键合处理，得到所述铜铟镓硒太阳能电池。
6.如权利要求5所述的铜铟镓硒太阳能电池装置，其特征在于，在衬底上制备依次层叠设置的背电极层、铜铟镓硒光吸收层、缓冲层及阻挡层包括如下步骤：使用磁控溅射钼金属靶材沉积得到钼金属层作为背电极层；使用磁控溅射硒化或者四源共蒸发工艺制备铜铟镓硒光吸收层；使用化学水浴法沉积硫化镉得到硫化镉层作为缓冲层；使用射频磁控溅射氧化锌陶瓷靶材沉积i-ZnO高阻层作为阻挡层，其中，所述射频磁控溅射氧化锌陶瓷靶材过程中功率密度为0.5～0.8W/cm2，溅射时间为10min～15min，气流体积比Ar∶O2为10∶1。
7.如权利要求5所述的铜铟镓硒太阳能电池装置的制备方法，其特征在于，所述石墨烯薄膜为单层石墨烯，所述在阻挡层表面粘合石墨烯薄膜包括如下步骤：
用化学气相沉积法在金属基底上制备单层石墨烯；
在所述单层石墨烯表面涂覆一层树脂载体；
腐蚀去除所述金属基底，洗净后得到粘有树脂载体的所述单层石墨烯；
将粘有树脂载体的单层石墨烯贴附在所述阻挡层表面；
以及溶解去除树脂载体。
8.如权利要求5所述的铜铟镓硒太阳能电池装置的制备方法，其特征在于，所述石墨烯薄膜为多层层叠设置的单层石墨烯，所述在阻挡层表面粘合石墨烯薄膜包括如下步骤：
用化学气相沉积法在金属基底上制备单层石墨烯；
在所述单层石墨烯表面涂覆一层树脂载体；
腐蚀去除所述金属基底，洗净后得到粘有树脂载体的所述单层石墨烯；
将粘有树脂载体的单层石墨烯贴附在所述阻挡层表面；
溶解去除树脂载体；以及
重复上述步骤将多层的单层石墨烯贴附在所述阻挡层表面。
9.如权利要求7或8所述的铜铟镓硒太阳能电池装置的制备方法，其特征在于，所述用化学气相沉积法在金属基底上制备单层石墨烯薄膜包括如下步骤：
室温下，将清洗后的金属基底放入化学气相沉积炉中，抽真空后通入氢气，并调节氢气流量至炉中气压为250～350毫托；
升温至900～1000℃，将所述金属基底在氢气氛围下退火20～30分钟；
向炉中通入甲烷，调节甲烷流量为10sccm，并控制氢气流量为5sccm，保持加热温度不变，反应25～35分钟后降温至室温，取出金属基底，所述金属基底表面即沉积有单层石墨烯。
10.如权利要求5所述的铜铟镓硒太阳能电池装置的制备方法，其特征在于，对所述石墨烯薄膜处理形成n型的石墨烯薄膜的步骤包括：将前步骤制得的结构置于体积浓度为20％～99％的乙醇水溶液中浸泡或者其蒸汽中浸没处理10～15分钟，或者前步骤制得的结构置于体积浓度为5％～35％的氨水中浸泡或者其蒸汽中浸没处理10～15分钟，最后通入氮气吹干，对石墨烯薄膜进行n型掺杂。
11.如权利要求5所述的铜铟镓硒太阳能电池装置的制备方法，其特征在于，所述对n型的石墨烯薄膜与阻挡层之间进行键合处理包括如下步骤：将制得包含n型的石墨烯薄膜和阻挡层的结构置于真空度为10-3～10-6Pa的真空环境中，通入乙醇蒸汽，维持气压在0.01Pa～0.1Pa，再在所述石墨烯薄膜的表面均匀施加5～10个大气压，维持压力10分钟～10小时。
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Legal Events
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| AV01 | Patent right actively abandoned |
Granted publication date: 20140521 Effective date of abandoning: 20240112 |
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