CN102544138A - 一种设置AlN薄膜层的铜铟镓硒薄膜太阳电池 - Google Patents

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Abstract

一种设置AlN薄膜层的铜铟镓硒薄膜太阳电池，包括衬底、Mo背电极层、CIGS吸收层、CdS缓冲层、本征氧化锌(i-ZnO)层、掺杂氧化锌(ZnO:Al)窗口层和前电极镍铝，在衬底与Mo背电极层之间设置AlN薄膜层，金属衬底时AlN薄膜层作为电绝缘杂质阻挡层，玻璃衬底时AlN薄膜层作为杂质阻挡和应力过渡层，聚合物衬底时AlN薄膜层作为热缓冲层。本发明的优点是：采用简单、低廉的磁控溅射技术，制备氮化铝(AlN)薄膜作为衬底的杂质阻挡层或电绝缘层，即使在较高衬底温度下制备太阳电池，也能够对金属原子具有很好的阻挡效果且保持其绝缘特性，为制造内联式金属箔衬底薄膜太阳电池提供了先决条件。

Description

一种设置AlN薄膜层的铜铟镓硒薄膜太阳电池
技术领域
本发明涉及铜铟镓硒薄膜太阳电池，特别是一种设置AlN薄膜层的铜铟镓硒薄膜太阳电池。
背景技术
柔性衬底铜铟镓硒(简称CIGS)薄膜太阳电池是在金属箔或高分子聚合物薄膜基底上，经过真空沉积和化学方法沉积若干层半导体薄膜及金属薄膜而构成的太阳电池。因其轻质、可折叠、不易碎、机械性能好、功率重量比高、空间性能好、可采用低成本的卷带式沉积工艺生产，具有巨大的市场前景。常用的柔性衬底材料包括：金属衬底如不锈钢箔(SS)、Al箔、Mo箔、Cu箔、Ti箔等和聚合物材料衬底如聚酰亚胺(PI)薄膜等。由于金属衬底在600℃以上仍具有很高的机械稳定性和热稳定性，因而是人们首选的柔性薄膜太阳电池衬底材料。然而，高温沉积半导体薄膜过程中，衬底中的金属原子作为“杂质”容易向电池内部扩散，明显降低电池的效率，尤其是Fe原子。因此，需要在金属衬底上额外沉积一层阻挡金属原子的杂质阻挡层。
对于薄膜太阳电池组件，采用划线制备内联式结构可降低电池组件受光的无效面积，以提高其输出功率。对于金属箔衬底太阳电池组件，若采用内联式需要在衬底与背电极Mo薄膜之间有一高阻绝缘层。因而，这一层既要有高阻绝缘功能又要有阻挡衬底中的金属原子向电池内部扩散功能。目前，杂质阻挡层一般采用金属Cr薄膜可以有效地阻挡Fe的扩散，但在高温下也会有少量Cr原子扩散至电池内部；绝缘层材料可使用Al2O3、SiO2、Si3N4、ZnO等薄膜，对于阻挡金属杂质需要其厚度在3μm以上其效果才比较明显。SiO2、Si3N4、ZnO等绝缘材料在制备CIGS电池过程中衬底温度经过550℃后，其绝缘性变差，主要是由于金属原子在高温下的扩散起到掺杂作用，大大降低其电阻率。
另外，在金属衬底上沉积Al2O3薄膜后制备CIGS电池，由于其应力不易匹配，经550℃高温工艺沉积的电池材料极易爆皮脱落；采用Si3N4薄膜做阻挡绝缘层，通常采用等离子体化学气相沉积，需要单独配备一套PECVD设备，而且薄膜沉积时间较长，不利于降低生产成本。
对于玻璃衬底铜铟镓硒CIGS薄膜太阳电池一般选用低成本的苏打玻璃，在高温制备CIGS过程时，玻璃中的Na可以扩散至CIGS薄膜中，有效地改善电池器件性能。但对于制备大面积CIGS薄膜电池组件时，玻璃衬底中的Na分布不均匀导致大面积组件性能的均匀性不好，因而生产线基本上是在大面积玻璃上沉积一层阻挡层SiO2或Al2O3薄膜，阻挡玻璃衬底中的Na向吸收层扩散，在制备CIGS薄膜时单独安排Na的沉积工艺，以保证大面积组件Na的分布均匀，由此带来组件整体性能的提高。但是，若采用SiO2、Al2O3、Si3N4薄膜作为Na的阻挡层，仍然存在着金属背电极Mo与它们之间的热膨胀系数不匹配，致使得后续沉积CIGS薄膜时易于脱落。因此需要磁控溅射Mo薄膜时采用高气压与低气压双层溅射工艺沉积，以消除界面应力。
对于聚合物如聚酰亚胺衬底的CIGS薄膜电池，由于衬底本身的导热性差，沉积的薄膜横向均匀性差，导致了电池的性能变差，尤其对于内级联组件电池影响更大。
综上所述，无论是金属衬底薄膜太阳电池，还是玻璃衬底薄膜太阳电池，都需要有一层防止杂质原子扩散的阻挡层，特别是在高温下能够起到阻挡效果。对于金属衬底太阳电池若采用内联式，需要有一高阻绝缘层，而且能够在高温下阻挡金属原子的扩散掺杂，保持这一绝缘层的高阻绝缘性。另外，聚合物衬底薄膜电池上也需要沉积一层高导热率的薄膜作为缓冲层，改善CIGS薄膜电池的横向均匀性，提高电池的整体性能。
AlN薄膜是一种宽带隙的III-V族化合物半导体材料，一般是采用三甲基铝(铝的Mo源)与氨气经过MOCVD技术沉积，主要应用于化合物光电子器件制备。这一技术应用于大面积薄膜太阳电池生产制备，不仅设备投资强度大，而且原材料价格昂贵，不利于太阳电池降低成本。本发明采用磁控溅射制备AlN薄膜，不仅工艺简单，原材料低廉，设备投资大幅度降低，有利于生产制备低成本薄膜太阳电池。
发明内容
本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种设置AlN薄膜层的铜铟镓硒薄膜太阳电池，该AlN薄膜层作为杂质阻挡层、电绝缘层或热缓冲层，可提高电池组件的整体性能。
本发明的技术方案：
一种设置AlN薄膜层的铜铟镓硒薄膜太阳电池，包括衬底、Mo背电极层、CIGS吸收层、CdS缓冲层、本征氧化锌(i-ZnO)层、掺杂氧化锌(ZnO:Al)窗口层和前电极镍铝(Ni-Al)，其特征在于：在衬底与Mo背电极层之间设置AlN薄膜层，所述衬底为金属、玻璃或聚合物，金属衬底时AlN薄膜层作为电绝缘杂质阻挡层，玻璃衬底时AlN薄膜层作为杂质阻挡和应力过渡层，聚合物衬底时AlN薄膜层作为热缓冲层。
所述金属衬底为型号SUS304或SUS430的不锈钢，玻璃衬底为普通钠钙玻璃，聚合物衬底为PI。
所述AlN薄膜层为在衬底上采用磁控溅射法制备的本征AlN薄膜或与Al2O3、SiO2、Si3N4、ZnO、Cr薄膜分层沉积的复合式薄膜。
所述背电极层为直流磁控溅射制备的单层金属Mo或双层Mo薄膜，薄膜的厚度为0.3-2μm。
所述吸收层为铜铟镓硒薄膜，厚度为0.5-3μm。
所述缓冲层为CdS、ZnS、(Cd，Zn)S或In2S3薄膜，薄膜的厚度为30-100nm。
所述本征氧化锌层薄膜厚度为30-150nm。
所述掺杂氧化锌层为掺铝氧化锌(AZO)、掺镓氧化锌(GZO)或掺镁氧化锌(MZO)薄膜，薄膜的厚度为300-1500nm。
所述前电极层为铝或镍铝合金，厚度为0.5-4μm。
本发明的功效机理：
1)可以阻挡金属衬底中杂质(主要是Fe)向电池内部扩散；2)可以作为金属衬底的电绝缘层，特别是在550℃也能够阻挡金属原子的扩散掺杂，保持其绝缘性，解决了电池以内及联方式划线问题；3)可以阻挡玻璃衬底中杂质(如Na)向吸收层内部扩散，实现了Na掺杂的可控性；4)沉积在聚合物(如聚酰亚胺)衬底的高热导率AlN薄膜，可以改善CIGS薄膜电池的横向均匀性，提高了电池组件的整体性能；5)由于AlN与Mo背电极具有极好的匹配，只采用低气压溅射一层Mo薄膜即可替代通常溅射两层Mo的工艺使CIGS薄膜不脱落剥皮，简化了沉积Mo电极工艺；6)本发明采用磁控溅射AlN薄膜工艺及设备，可与CIGS薄膜太阳电池中的金属Mo电极沉积设备与技术相兼容，降低了生产设备投资及薄膜电池的生产制造成本。
本发明的优点是：采用简单、低廉的磁控溅射技术，制备氮化铝(AlN)薄膜作为衬底的杂质阻挡层或电绝缘层，即使在较高的衬底温度下制备太阳电池，也能够对金属原子具有很好的阻挡效果，而且仍然保持其绝缘特性，为制造内联式金属箔衬底薄膜太阳电池提供了先决条件。因此，本发明可应用于太阳电池制造方面的技术领域。另外，将AlN薄膜用于玻璃衬底CIGS薄膜太阳电池的玻璃与Mo电极之间的阻挡层，并可应用于半导体器件制造领域。
附图说明
图1为以AlN薄膜作为杂质阻挡层、电绝缘层及热缓冲层的CIGS薄膜太阳电池结构示意图。
图2为不锈钢衬底上AlN薄膜的X射线衍射图。
图3为不锈钢衬底有无AlN阻挡层时杂质Fe在CIGS薄膜中的分布图。
图4为以AlN/Cr复合式薄膜作为阻挡绝缘层的不锈钢衬底CIGS薄膜电池结构示意图。
图5为以AlN/Cr复合式薄膜作为阻挡层时Fe在CIGS薄膜中的分布图。
图6为仅以低气压沉积的Mo作为背电极的玻璃衬底CIGS薄膜断面图。
具体实施方式
一种设置AlN薄膜层的铜铟镓硒薄膜太阳电池，如图1所示，包括衬底、Mo背电极层、CIGS吸收层、CdS缓冲层、本征氧化锌(i-ZnO)层、掺杂氧化锌(ZnO:Al)窗口层和前电极镍铝(Ni-Al)，其特征在于：在衬底与Mo背电极层之间设置AlN薄膜层，所述衬底为金属、玻璃或聚合物，金属衬底时AlN薄膜层作为电绝缘杂质阻挡层，玻璃衬底时AlN薄膜层作为杂质阻挡和应力过渡层，聚合物衬底时AlN薄膜层作为热缓冲层。
实施例1：
一种设置AlN薄膜层的铜铟镓硒薄膜太阳电池，参见图1，以不锈钢为衬底采用磁控溅射制备AlN薄膜作为电绝缘杂质阻挡层，制备步骤如下：
1)将0.05μm的不锈钢箔(SS)进行超声清洗，脱水烘干后放入磁控溅射沉积系统的真空腔室内，脱水去气；
2)在不锈钢衬底上采用磁控溅射制备AlN薄膜，工艺参数：本底真空为3×10-3Pa、衬底温度为150℃、金属Al靶的靶极距为60mm、通入Ar和N2混合气的流量为25sccm，Ar和N2的体积比为1.5∶1、真空室工作气体压强为0.5Pa、溅射功率密度为1.2W/cm2，所制备的AlN薄膜厚度为1μm；
3)在AlN/SS上利用直流磁控溅射方法制备Mo背电极，薄膜厚度为1μm；
4)利用共蒸发方法制备CIGS吸收层，薄膜厚度为2μm；
5)利用化学水浴方法制备CdS缓冲层，薄膜厚度为50nm；
6)采用磁控溅射法制备本征氧化锌(i-ZnO)层，薄膜厚度为50nm；
7)采用直流磁控溅射方法制备掺铝氧化锌(ZnO:Al)窗口层，薄膜的厚度为1000nm；
8)前电极镍铝(Ni-Al)采用蒸发方法制备，厚度为2μm。
图2为AlN薄膜的X射线衍射图，测试结果表明：不锈钢衬底上生长的AlN薄膜绝缘电阻＞180MΩ，击穿电压高于300V；经过550℃，40min退火后的AlN薄膜的绝缘电阻仍＞150MΩ，击穿电压为300V。
图3给出了不锈钢衬底有无AlN阻挡层时杂质Fe在CIGS薄膜中的分布图。从图3可以看出：AlN薄膜的阻挡效果比较明显。
实施例2：
一种设置AlN薄膜层的铜铟镓硒薄膜太阳电池，参见图4，以不锈钢为衬底制备AlN/Cr复合式薄膜作为电绝缘和杂质阻挡层，制备步骤如下：
1)将0.05μm的不锈钢箔(SS)进行超声清洗，脱水烘干后放入磁控溅射沉积系统的真空腔室内，脱水去气；
2)在不锈钢衬底上采用磁控溅射制备Cr薄膜，工艺参数：本底真空为3×10-3Pa、通入Ar的流量为15sccm、靶-基距为60mm、真空室工作气体压强为0.8Pa、溅射功率密度为0.8W/cm2，所制备的Cr薄膜厚度为500nm，在Cr薄膜上采用与实施例1相同的方法制备厚度为200nm的AlN薄膜，然后将AlN/Cr/SS在550℃温度下退火40分钟，测试其绝缘电阻大于150MΩ，击穿电压高于200V，完全满足绝缘电阻要求；
3)-8)各层制备与实施例1相同。
图5为该复合式薄膜作为阻挡层时Fe在CIGS薄膜中的分布图，从图中可以看出：此复合式薄膜对Fe的阻挡能力更明显；该复合式杂质阻挡绝缘层可以更薄，不仅降低了生产成本，而且应用范围更广。
实施例3：
一种设置AlN薄膜层的铜铟镓硒薄膜太阳电池，以玻璃为衬底制备AlN薄膜作为杂质阻挡和应力过渡层，参见图1，制备步骤如下：
1)将2mm的玻璃衬底进行超声清洗，脱水烘干后放入磁控溅射沉积系统的真空腔室内，脱水去气；
2)在玻璃衬底上采用磁控溅射制备AlN薄膜，工艺参数：本底真空为3×10-3Pa、衬底温度为300℃、金属Al靶的靶极距为60mm、通入Ar和N2混合气的流量为30sccm，Ar和N2的体积比为1∶1、真空室工作气体压强为1Pa、溅射功率密度为1.2W/cm2，所制备的AlN薄膜厚度为0.5μm；
3)在AlN/玻璃衬底上利用直流磁控溅射方法制备低气压单层Mo背电极，薄膜厚度为1.5μm；
4)利用共蒸发方法，在温度为550℃条件下制备CIGS吸收层，薄膜厚度为2μm；
5)-8)各层制备与实施例1相同。
图6为CIGS/单Mo/AlN/玻璃的SEM图，图中显示：各薄膜具有较好的附着力，利用本发明，仅低气压Mo薄膜作为背电极时，高温沉积的CIGS薄膜仍具有较好的附着力。
AlN薄膜作为杂质阻挡和应力过渡层，增加了背电极单层低气压Mo与玻璃衬底之间的附着力，简化了背电极的制备工艺。
实施例4：
一种设置AlN薄膜层的铜铟镓硒薄膜太阳电池，以聚酰亚胺为衬底制备AlN薄膜作为热缓冲层，参见图1，制备步骤如下：
1)将0.05μm的聚酰亚胺(PI)衬底进行超声清洗，脱水烘干后放入磁控溅射沉积系统的真空腔室内，脱水去气；
2)在PI衬底上采用磁控溅射制备AlN薄膜，工艺参数：本底真空为3×10-3Pa、衬底温度为300℃、金属Al靶的靶极距为60mm、通入Ar和N2混合气的流量为30sccm，Ar和N2的体积比为1∶1、真空室工作气体压强为1Pa、溅射功率密度为1W/cm2，所制备的AlN薄膜厚度为0.5μm；
3)在AlN/PI衬底上利用直流磁控溅射方法制备Mo背电极，薄膜厚度为1.5μm；
4)利用共蒸发方法，在温度为450℃条件下制备CIGS吸收层，厚度为2μm；
5)-8)各层制备与实施例1相同。
在PI上沉积AlN过渡层后，改善了CIGS薄膜电池横向均匀性，对应的器件均匀性也同样得到一定程度的改善。

Claims (9)

1.一种设置AlN薄膜层的铜铟镓硒薄膜太阳电池，包括衬底、Mo背电极层、CIGS吸收层、CdS缓冲层、本征氧化锌(i-ZnO)层、掺杂氧化锌(ZnO:Al)窗口层和前电极镍铝(Ni-Al)，其特征在于：在衬底与Mo背电极层之间设置AlN薄膜层，所述衬底为金属、玻璃或聚合物，金属衬底时AlN薄膜层作为电绝缘杂质阻挡层，玻璃衬底时AlN薄膜层作为杂质阻挡和应力过渡层，聚合物衬底时AlN薄膜层作为热缓冲层。
2.根据权利要求1所述设置AlN薄膜层的铜铟镓硒薄膜太阳电池，其特征在于：所述金属衬底为型号SUS304或SUS430的不锈钢，玻璃衬底为普通钠钙玻璃，聚合物衬底为PI。
3.根据权利要求1所述设置AlN薄膜层的铜铟镓硒薄膜太阳电池，其特征在于：所述AlN薄膜层为在衬底上采用磁控溅射法制备的本征AlN薄膜或与Al2O3、SiO2、Si3N4、ZnO、Cr薄膜分层沉积的复合式薄膜。
4.根据权利要求1所述设置AlN薄膜层的铜铟镓硒薄膜太阳电池，其特征在于：所述背电极层为直流磁控溅射制备的单层金属Mo或双层Mo薄膜，薄膜的厚度为0.3-2μm。
5.根据权利要求1所述设置AlN薄膜层的铜铟镓硒薄膜太阳电池，其特征在于：所述吸收层为铜铟镓硒薄膜，厚度为0.5-3μm。
6.根据权利要求1所述设置AlN薄膜层的铜铟镓硒薄膜太阳电池，其特征在于：所述缓冲层为CdS、ZnS、(Cd，Zn)S或In2S3薄膜，薄膜的厚度为30-100nm。
7.根据权利要求1所述设置AlN薄膜层的铜铟镓硒薄膜太阳电池，其特征在于：所述本征氧化锌层薄膜厚度为30-150nm。
8.根据权利要求1所述设置AlN薄膜层的铜铟镓硒薄膜太阳电池，其特征在于：所述掺杂氧化锌层为掺铝氧化锌(AZO)、掺镓氧化锌(GZO)或掺镁氧化锌(MZO)薄膜，薄膜的厚度为300-1500nm。
9.根据权利要求1所述设置AlN薄膜层的铜铟镓硒薄膜太阳电池，其特征在于：所述前电极层为铝或镍铝合金，厚度为0.5-4μm。
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