CN102800719B - 一种柔性CdTe薄膜太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种制备柔性CdTe薄膜太阳能电池的方法，该制备方法的工艺步骤包括以下步骤：1）清洗云母基底（1）；2）在云母基底（1）上生长透明导电薄膜（2）；3）在基底（1）的透明导电薄膜（2）上生长CdS（3），然后在CdS（3）上面生长CdTe（4）薄膜；4）在有CdCl2蒸汽的气氛中对步骤（3）制备的CdS和CdTe薄膜进行退火处理；5）在经退火处理后的CdTe薄膜上蒸镀导电背电极；至此制得所述的柔性CdTe多晶薄膜太阳能电池。
Description
技术领域
本发明涉及一种柔性CdTe多晶薄膜电池及其制备方法。
背景技术
近年来，随着世界经济的发展和人口的增长，对清洁能源的需要越来越强烈。太阳能是一种清洁、无污染、取之不尽、用之不竭的可再生能源，不产生任何的环境污染。在太阳能的有效利用当中，大阳能光电利用是近些年来发展最快、最具活力的研究领域，是其中最受瞩目的项目之一。为此，人们研制和开发了太阳能电池。制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是，利用光电材料吸收光能后发生光电转换效应。以光伏效应为基础的太阳能电池就是将太阳能转化为电能，有效利用太阳能的一种重要、实用的技术，因此受到广泛的关注。太阳能电池工作的原理如下：太阳光照在由半导体光伏材料组成的半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，光生空穴由n区流向p区，光生电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。
太阳能电池种类很多，目前，效率最高、技术最成熟的是单晶硅太阳能电池，电池转化效率超过23%，最大值可达23.3%，大面积（225cm2）单晶硅太阳能电池转换效率为19.44%。太阳能电池要想得到大规模的利用，就需要提高光电转换效率和降低成本。硅材料的成本占单晶硅电池总成本的70%，由于受单晶硅材料价格及相应繁琐的电池工艺影响，致使单晶硅成本价格居高不下，因此，要想大幅度降低单晶硅太阳能电池的成本是非常困难的。
为了节省成本，现在发展了：多晶硅薄膜太阳能电池、非晶硅薄膜太阳能电池、CdTe薄膜电池、CuInGaSe太阳能电池。其中，CdTe是一种化合物半导体材料，制备方法简单、很容易得到化学计量比的材料，被认为是很有前景的薄膜太阳能电池材料。
CdTe具有直接能带结构，带隙宽度为1.5eV，与太阳光谱很好的吻合，光吸收系数高达10-5cm-1。其成本低，只需要2μm就可以吸收90%的光。CdTe理论效率达到29%，实验室小面积效率达到了17.3%，大面积组件效率达到11%。CdTe太阳能电池性能稳定、抗辐射性能好、寿命长，批量生产的大面积商用CdTe薄膜太阳能电池组件的制造成本降到了0.75美元/峰瓦，是现在各种太阳能电池组件中制作成本最低的，已经成为光伏产业中的主要研究对象。
目前，传统的CdTe太阳能电池通常加工成坚硬的板块状电池板，这就限制了它的许多日常用途。因此，需要发展柔性CdTe太阳能电池。柔性太阳能电池重量轻、可以折叠、弯曲、甚至黏贴在其它物体的表面例如汽车玻璃和衣服等，在建筑一体化光伏应用上也有很大的应用潜力。中国专利201010109118.X提出了一种CdTe柔性电池的制备方法，以不锈钢为基底做成了柔性CdTe太阳能电池。但是，受不锈钢基底的影响，这种柔性CdTe太阳能电池只能做成下电池结构，在这种结构下，CdCl2的处理不能有效的进行，导致CdTe晶粒内部缺陷不能有效的减少，CdTe/CdS界面扩散不能有效的控制，界面缺陷增多。二是CdTe的背接触无法有效制备。从而，下电池结构严重降低了电池的光电转化效率。2011年，杜邦卡普顿（DuPontKapton）以无色聚酰亚胺薄膜作为柔性基底，制作了柔性CdTe薄膜太阳能电池。但是，聚酰亚胺长期使用温度范围在300℃以下。而高效CdTe/CdS电池制备过程必须的CdCl2处理一般都需要到300℃，因此，采用聚酰亚胺作为柔性基底限制了电池的效率。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不锈钢基底上只能做成下电池结构和聚酰亚胺长期使用温度范围在300℃以下的缺点，提供一种制备柔性CdTe多晶薄膜太阳能电池的结构和制备方法。
本发明太阳能电池的结构如下：以云母为基底，云母的基底上为透明导电薄膜，透明导电薄膜上面为CdS薄膜，CdS薄膜上面为CdTe薄膜，CdTe薄膜上为导电背电极。
本发明提出的柔性CdTe太阳能电池具有耐高温、耐强酸、强碱、耐宇宙射线辐射的优点。而且，本发明制备工艺简单，易大规模生产，在工业、航空及民用发电领域中都具有很大的应用潜力。
本发明以云母作为柔性CdTe太阳电池的基底，做成上电池结构，很容易得到高效的CdTe薄膜太阳能电池，而且最高能耐1100℃的高温，有效扩展了CdTe薄膜太阳能电池的应用。
本发明的方法步骤如下：
1、清洗云母基底；
2、在云母基底上生长透明导电薄膜；
3、在基底上的透明导电薄膜上依次生长CdS和CdTe薄膜；
4、在有CdCl2蒸气的气氛中对制备的CdS和CdTe薄膜进行退火处理；
5、在经CdCl2退火处理后的CdTe薄膜上蒸镀导电背电极；至此制得所述的柔性CdTe多晶薄膜太阳能电池。
其中所述步骤1中，所述的云母基底的厚度为0.02-2mm，在400nm-3000nm的透过率高达90%。所述的云母基底能承受高达1100℃的高温，与强酸和强碱不发生任何反应，电绝缘性好，平整度好，不吸附杂质，高温下真空放气极低，适合真空镀膜；可分剥，富有弹性，而且由于其热膨胀小（3×10-6K-1），加热后不易变形，与聚酰亚胺加热后易膨胀弯曲相比，云母基底更便于CdTe薄膜电池的后续激光刻线加工。
所述步骤2是生长透明导电薄膜，其作用为导出p-n结产生的电子，一般采用In2O3:Sn(ITO)、ZnO:Al(AZO)、ZnO:B(BZO)、In2O3:Mo(IMO)、In:ZnO、石墨烯、ZnSnO3、SnO2:F(FTO)、NiO、Zn2SnO4、Cd2SnO4、ZnO:Ti(TZO)。生长透明导电薄膜的工艺可以采用磁控溅射法、脉冲激光沉积技术、超声喷雾热分解法、分子束外延法、胶法凝胶法、化学气相沉积法。导电薄膜的厚度为0.3-1500nm。
所述步骤3的操作方法是：在磁控溅射炉放置基底的位置上放上制备好透明导电薄膜的云母基底，盖上磁控溅射炉的炉盖，对磁控溅射炉腔室抽真空，并升温使基底温度保持在25-1100℃。当背底真空到达10-3Pa以下，开始溅射CdS多晶薄膜。CdS多晶薄膜的溅射条件为：基底温度25-1100℃，向腔室内通入高纯Ar气，气体流速10-100sccm，腔室压强0.1-10Pa。当基底上所溅射的CdS薄膜的厚度为20-500nm时，停止CdS薄膜的制备。把基底转向正对CdTe靶的位置，开始溅射CdTe薄膜。CdTe薄膜的溅射条件为：基底温度25-1100℃，向腔室内通入高纯Ar气，气体流速10-100sccm，腔室压强0.1-10Pa。当基底上所溅射的CdTe厚度达到设定的厚度0.5-10μm时，停止CdTe薄膜的制备，同时停止对基底加热，待基底温度降低到室温时，取出沉积了CdS和CdTe薄膜的基底。
所述步骤3中，制备透明导电薄膜上的CdS薄膜的方法还可以为化学水浴沉积或分子束外延，制备CdS薄膜上的CdTe薄膜的方法还可以为近空间升华或气相输运沉积或电沉积或真空热蒸发技术或物理气相沉积或金属有机化学气相沉积或丝网印刷烧结或真空热蒸发法。
所述步骤4中，在CdCl2气氛中对制备的CdS和CdTe薄膜进行退火处理，在350-500℃对CdTe退火处理5-120min。此过程可以用湿法或者干法。湿法退火的工艺过程如下：把CdCl2的饱和甲醇溶液均匀滴在CdTe薄膜上，对CdTe进行退火处理。干法退火的工艺过程如下：把CdCl2均匀放置在玻璃片上，然后在距离此玻璃片1-5mm处放置具有CdTe、CdS和透明导电薄膜的云母基底，CdTe薄膜正对有CdCl2的玻璃片，然后对CdTe进行退火处理。
所述步骤5中用热蒸发或者电子束在经CdCl2处理后的CdTe薄膜上蒸镀大于5nm的导电背电极。
至此，得到本发明所述的柔性CdTe薄膜太阳能电池。
本发明与其它制备柔性CdTe薄膜太阳能电池方法相比具有如下优点：
（1）采用云母做为CdTe薄膜电池的基底材料，使CdTe太阳能电池具有一定的柔性，而且云母在（100-3000）nm均具有90%的透过率，最高能耐1100℃的高温，具有很强的抗辐射性，耐强酸强碱性，从而适用于对太阳能电池具有严格要求的场合，比如，航空航天，光伏建筑一体化、衣服等需要柔性太阳能电池的地方。
（2）本发明采用传统的上电极结构，CdS和CdTe多晶薄膜的制备、CdCl2处理、导电背电极的制备，都能保证CdTe太阳能电池高的转化效率，而且制备工艺简单、普适性高、能大规模产业化生产。
（3）本发明采用传统的上电极结构，柔性CdTe薄膜太阳能电池的制备方法可以推广到其它制备传统CdTe太阳能电池的方法，比如：化学水浴（CBD）、分子束外压（MBE）、近空间升华（CSS）、气相输运沉积（VTD）、电沉积（ED）、物理气相沉积（PVD）、化学水浴沉积（CBD）、金属有机化学气相沉积（MOCVD）、丝网印刷烧结、真空磁控溅射、真空热蒸发。
本发明以云母为柔性CdTe太阳电池的基底，为传统的上电池结构，很容易得到高效的CdTe薄膜太阳能电池，而且最高能耐1100℃的高温，有效扩展了CdTe薄膜太阳能电池的应用。
附图说明
图1为本发明柔性CdTe薄膜太阳能电池的结构示意图，图中：1云母基底、2透明导电薄膜、3CdS多晶薄膜、4CdTe多晶薄膜、5导电背电极。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
本发明柔性CdTe太阳能电池的结构如下：云母基底1上为透明导电薄膜2，透明导电薄膜2上层为CdS多晶薄膜3，CdS多晶薄膜3的上层为CdTe多晶薄膜4，CdTe多晶薄膜4的上层为导电背电极5。
本发明首先在云母基底1上生长透明导电薄膜2，然后透明导电薄膜2上生长CdS多晶薄膜3，继续在生长完CdS多晶薄膜3上生长CdTe多晶薄膜4，最后在CdTe多晶薄膜4上蒸镀导电背电极5。
实施例1
以1mm厚、15×5cm的氟晶云母为基底，对云母基底1进行清洗，经丙酮、乙醇和去离子水超声清洗各5min后，用V(H2SO4)∶V(H3PO4)=3：1的混合液在160℃下清洗15min，最后经过去离子水清洗，并用高纯氮气吹干。然后在云母基底上通过分子束外延法生长100nm厚的AZO透明导电薄膜2。生长过程如下：Zn、Al、氧气的纯度均为5N级，通过13.56MHz的射频等离子体发生器产生反应需要的氧原子。生长时，生长室和预生长室的基压分别维持在9×10-8Pa和5×10-8Pa。生长前，将衬底传入预生长室在800℃下高温去气处理30min，冷却后传入生长室在700℃下氧原子处理20min，然后进入预定程序生长100nm的AZO薄膜2。然后生长CdS薄膜3，将沉积好AZO透明导电薄膜2的云母基底1放入磁控溅射设备衬底的位置，对腔室内抽真空，同时对基底加热到25℃。当背底真空到达10-3Pa以下，开始在云母基底1的AZO透明导电薄膜2上面溅射CdS多晶薄膜3。溅射CdS多晶薄膜3的工艺参数为：基底温度25℃，高纯Ar气体流速10sccm，腔室压强0.1Pa；当CdS多晶薄膜3厚度为20nm时，停止CdS多晶薄膜3的制备。把基底转向正对CdTe靶的位置，开始溅射CdTe多晶薄膜4，CdTe多晶薄膜4溅射工艺参数为：基底温度25℃，高纯Ar气体流速10sccm，腔室压强0.1Pa；当CdTe多晶薄膜4厚度为0.5μm时，停止CdTe多晶薄膜4的制备。停止对基底加热，待基底温度降低到室温时，取出沉积了CdS多晶薄膜3和CdTe多晶薄膜4的云母基底1。把CdCl2均匀放置在玻璃片上，然后在距离此玻璃片1mm处放上具有CdTe4、CdS3和透明导电薄膜2的云母基底1，CdTe薄膜4正对有CdCl2的玻璃片，在350℃对CdTe薄膜4进行处理120min。然后在CdCl2处理后的CdTe薄膜4上蒸镀导电背电极5。
实施例2
以1mm厚、15×5cm的氟晶云母为基底1，对云母基底1进行清洗，然后在云母基底上生长0.3nm厚的透明导电薄膜石墨烯2。石墨烯生长方法如下：通过化学气相沉积法在管式炉中制备石墨烯，把0.5mm厚的Cu箔放入管式炉中，然后把管式炉加热到1000℃，通入甲烷和氢气，在1000℃保持15min，得到所需要的石墨烯。然后通过三氯化铁和盐酸的溶液把石墨烯转移到聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）上，在把石墨烯放到CdTe多晶薄膜4上，通过丙酮把聚甲基丙烯酸甲酯溶解掉，得到在云母衬底1上得到透明导电薄膜2。然后通过化学水浴法（CBD）制备CdS薄膜3，把有石墨烯导电薄膜2的云母基底1放入到装有CdCl2:溶液和NH4Cl溶液的反应池中，开始加热，并启动磁转子，当反应液的温度达到80℃左右时，加入氨水溶液，恒温约5min加入硫脲反应约30min，取出云母基底，用红外灯烘干，在云母基底1上的石墨烯透明薄膜导电薄膜2上得到厚度为500nm的CdS多晶薄膜3。然后进行CdTe多晶薄膜4的制备，制备方法采用近空间升华法（CSS）。步骤如下：把沉积好CdS3、透明导电薄膜2的云母衬底1放在近空间升华设备衬底的位置上，把CdTe源放在源的位置上，在高纯N2作用下，把源温度加热到700℃，衬底温度加热到600℃，体系压强为1315Pa，进行CdTe多晶薄膜4的沉积，当CdTe多晶薄膜4的厚度为10μm时，停止CdTe的沉积，停止对基底加热，待基底温度降低到室温时，取出沉积了CdS多晶薄膜3和CdTe多晶薄膜4的云母基底1。然后把CdCl2饱和的甲醇溶液均匀滴在CdTe多晶薄膜4上，在500℃对CdTe多晶薄膜4退火处理120min。然后用在CdCl2处理后的CdTe多晶薄膜4上蒸镀导电背电极5。
实施例3
以1mm厚、15×5cm的氟晶云母为基底1，对云母基底1进行清洗，然后在云母基底上通过溶胶凝胶法制备NiO，然后通过电子束生长500nm厚的NiO透明导电薄膜2。制备过程如下：把NiCl3·6H2O放入去离子水中，然后在100℃加热，直到去离子水完全挥发，然后把剩下的材料放入马弗炉中，在800℃处理24h，就得到了NiO粉末。然后利用电子束在云母衬底上制备500nm厚的NiO透明导电薄膜2。然后生长CdS薄膜3，将沉积好透明导电薄膜2的云母基底1放入另一台磁控溅射设备中，对腔室内抽真空，同时对基底加热到250℃，当背底真空到达10-3Pa以下，开始在云母基底1的NiO透明导电薄膜2上面溅射CdS多晶薄膜3。CdS多晶薄膜3溅射参数为：基底温度250℃，高纯Ar气体流速40sccm，腔室压强3Pa；当CdS多晶薄膜3厚度为50nm时，停止CdS多晶薄膜3的制备。把基底转向正对CdTe靶的位置，开始溅射CdTe多晶薄膜4，CdTe多晶薄膜4溅射工艺参数为：基底温度250℃，高纯Ar气体流速40sccm，腔室压强3Pa；当CdTe多晶薄膜4厚度为1μm时，停止CdTe多晶薄膜4的制备。停止对基底加热，待基底温度降低到室温时，取出沉积了CdS多晶薄膜3和CdTe多晶薄膜4的云母基底1。把CdCl2均匀放置在玻璃片上，然后在距离此玻璃片5mm处放上具有CdTe多晶薄膜4、CdS多晶薄膜3和透明导电薄膜2的云母基底1，CdTe多晶薄膜4正对有CdCl2的玻璃片，在400℃对CdTe多晶薄膜4进行处理40min。然后用热蒸发在CdCl2处理后的CdTe多晶薄膜4上蒸镀导电背电极5。
实施例4
以0.02mm厚、15×5cm的氟晶云母为基底1，对云母基底1进行清洗，然后在云母基底上通过磁控溅射法生长300nm厚的ZnSnO3透明导电薄膜2。生长过程如下：将云母基底1放入磁控溅射设备中，对腔室内抽真空，同时对基底加热到200℃。当背底真空到达10-3Pa以下，开始在云母基底1上溅射ZnSnO3多晶薄膜2。溅射ZnSnO3多晶薄膜2的工艺参数为：基底温度200℃，通入氧气，气体流速60sccm，腔室压强4Pa；当ZnSnO3多晶薄膜2厚度为300nm时，停止ZnSnO3多晶薄膜2的制备。然后生长CdS薄膜3，将沉积好透明导电薄膜2的云母基底1放入另一台磁控溅射设备中，对腔室内抽真空，同时对基底加热到250℃，当背底真空到达10-3Pa以下，开始在云母基底1的ZnSnO3透明导电薄膜2上面溅射CdS多晶薄膜3。CdS多晶薄膜3溅射参数为：基底温度25℃，高纯Ar气体流速10sccm，腔室压强0.5Pa；当CdS多晶薄膜3厚度为100nm时，停止CdS多晶薄膜3的制备。把基底转向正对CdTe靶的位置，开始溅射CdTe多晶薄膜4，CdTe多晶薄膜4溅射工艺参数为：基底温度25℃，高纯Ar气体流速10sccm，腔室压强0.5Pa；当CdTe多晶薄膜4厚度为2μm时，停止CdTe多晶薄膜4的制备。停止对基底加热，待基底温度降低到室温时，取出沉积了CdS多晶薄膜3和CdTe多晶薄膜4的云母基底1。把CdCl2均匀放置在玻璃片上，然后在距离此玻璃片2mm处放上具有CdTe多晶薄膜4、CdS多晶薄膜3和透明导电薄膜2的云母基底1，CdTe多晶薄膜4正对有CdCl2的玻璃片，在350℃对CdTe多晶薄膜4进行处理120min。然后用电子束在CdCl2处理后的CdTe多晶薄膜4上蒸镀导电背电极5。
实施例5
以0.02mm厚、15×5cm的氟晶云母为基底1，对云母基底1进行清洗，然后在云母基底上通过磁控溅射法生长700nm厚的FTO透明导电薄膜2。生长过程如下：将云母基底1放入磁控溅射设备中，对腔室内抽真空，同时对基底加热到25℃。当背底真空到达10-3Pa以下，开始在云母基底1上溅射FTO多晶薄膜2。溅射FTO多晶薄膜2的工艺参数为：基底温度25℃，通入氧气，气体流速30sccm，腔室压强2Pa；当FTO多晶薄膜2厚度为700nm时，停止FTO多晶薄膜2的制备。然后生长CdS薄膜3，将沉积好透明导电薄膜2的云母基底1放入磁控溅射设备中，对腔室内抽真空，同时对基底加热到1100℃，当背底真空到达10-3Pa以下，开始在云母基底1的FTO透明导电薄膜2上面溅射CdS多晶薄膜3。CdS多晶薄膜3溅射参数为：基底温度1100℃，高纯Ar气体流速100sccm，腔室压强10Pa；当CdS多晶薄膜3厚度为130nm时，停止CdS多晶薄膜3的制备。把基底转向正对CdTe靶的位置，开始溅射CdTe多晶薄膜4，CdTe多晶薄膜4溅射工艺参数为：基底温度1100℃，高纯Ar气体流速100sccm，腔室压强10Pa；当CdTe多晶薄膜4厚度为3μm时，停止CdTe多晶薄膜4的制备。停止对基底加热，待基底温度降低到室温时，取出沉积了CdS多晶薄膜3和CdTe多晶薄膜4的云母基底1。把CdCl2饱和的甲醇溶液均匀滴在CdTe多晶薄膜4上，在450℃下对CdTe多晶薄膜4进行处理5min。然后在CdCl2处理后的CdTe多晶薄膜4上蒸镀导电背电极5。
实施例6
以0.02mm厚、15×5cm的氟晶云母为基底1，对云母基底1进行清洗，然后在云母基底上利用超声喷雾热分解法制备500nm厚的In:ZnO透明导电薄膜2。制备In:ZnO透明导电薄膜的过程如下：以二水醋酸锌[Zn(CH3COO)2·2H2O]为原材料，将1:3体积比去离子水和无水乙醇溶液做为溶剂，配置摩尔浓度为0.2mol/L的醋酸锌溶液为前驱液；以醋酸铟[In(CH3COO)3]为掺杂盐，按照不同n(In):n(Zn)摩尔比加入前驱液中，获得In:ZnO薄膜透明导电薄膜2。采用超声频率为2.5MHz的超声器雾化前驱液，以压缩空气为载气，体积流量为20L/min，将小液滴输送至反应室内。在喷射距离为2cm、生长温度为600℃的条件下，在云母基底1上制备500nm厚的In:ZnO透明薄膜导电薄膜2。然后通过化学水浴法（CBD）制备CdS薄膜3，把有石墨烯导电薄膜2的云母衬底2放入到装有CdCl2:溶液和NH4Cl溶液的反应池中，开始加热，并启动磁转子，当反应液的温度达到80℃左右时，加入氨水溶液，恒温约5min加入硫脲反应约30min，取出云母基底，用红外灯烘干，在云母基底1上的In:ZnO透明薄膜导电薄膜2上得到厚度为500nm的CdS多晶薄膜3。然后生长CdTe多晶薄膜3，将沉积好CdS多晶薄膜3、透明导电薄膜2的云母基底1放入磁控溅射设备中，对腔室内抽真空，同时对基底加热到250℃，当背底真空到达10-3Pa以下，开始溅射CdTe多晶薄膜4，CdTe多晶薄膜4溅射工艺参数为：基底温度250℃，高纯Ar气体流速40sccm，腔室压强3Pa；当CdTe多晶薄膜4厚度为4μm时，停止CdTe多晶薄膜4的制备。停止对基底加热，待基底温度降低到室温时，取出沉积了CdS多晶薄膜3和CdTe多晶薄膜4的云母基底1。把CdCl2均匀放置在玻璃片上，然后在距离此玻璃片2mm处放上具有CdTe多晶薄膜4、CdS多晶薄膜3和透明导电薄膜2的云母基底1，CdTe多晶薄膜4正对有CdCl2的玻璃片，在400℃对CdTe进行处理40min。然后在CdCl2处理后的CdTe多晶薄膜4上蒸镀导电背电极5。
实施例7
以2mm厚、15×5cm的氟晶云母为基底1，对云母基底1进行清洗，然后在云母基底上通过磁控溅射法生长500nm厚的FTO透明导电薄膜2。生长过程如下：将云母基底1放入磁控溅射设备中，对腔室内抽真空，同时对基底加热到250℃。当背底真空到达10-3Pa以下，开始在云母基底1上溅射FTO多晶薄膜2。溅射FTO多晶薄膜2的工艺参数为：基底温度250℃，通入氧气，气体流速30sccm，腔室压强2Pa；当FTO多晶薄膜2厚度为500nm时，停止FTO多晶薄膜2的制备。然后生长CdS薄膜3，将沉积好透明导电薄膜2的云母基底1放入另一台磁控溅射设备中，对腔室内抽真空，同时对基底加热到250℃，当背底真空到达10-3Pa以下，开始在云母基底1的FTO透明导电薄膜2上面溅射CdS多晶薄膜3。CdS多晶薄膜3溅射参数为：基底温度25℃，高纯Ar气体流速10sccm，腔室压强0.5Pa；当CdS多晶薄膜3厚度为150nm时，停止CdS多晶薄膜3的制备。把基底的位置转向CdTe靶的位置，开始溅射CdTe多晶薄膜4，CdTe多晶薄膜4溅射工艺参数为：基底温度25℃，高纯Ar气体流速10sccm，腔室压强0.5Pa；当CdTe多晶薄膜4厚度为5μm时，停止CdTe多晶薄膜4的制备。停止对基底加热，待基底温度降低到室温时，取出沉积了CdS多晶薄膜3和CdTe多晶薄膜4的云母基底1。把CdCl2均匀放置在玻璃片上，然后在距离此玻璃片4mm处放上具有CdTe多晶薄膜4、CdS多晶薄膜3和透明导电薄膜2的云母基底1，CdTe多晶薄膜4正对有CdCl2的玻璃片，在350℃对CdTe多晶薄膜4进行处理120min。然后在CdCl2处理后的CdTe多晶薄膜4上蒸镀导电背电极5。
实施例8
以2mm厚、15×5cm的氟晶云母为基底1，对云母基底1进行清洗，然后在云母基底上通过磁控溅射法生长500nm厚的SnO2透明导电薄膜2。生长过程如下：将云母基底1放入磁控溅射设备中，对腔室内抽真空，同时对基底加热到400℃。当背底真空到达10-3Pa以下，开始在云母基底1上溅射SnO2多晶薄膜2。溅射SnO2多晶薄膜2的工艺参数为：基底温度400℃，通入氧气，气体流速30sccm，腔室压强2Pa；当SnO2多晶薄膜2厚度为500nm时，停止SnO2多晶薄膜2的制备。然后生长CdS薄膜3，将沉积好透明导电薄膜2的云母基底1放入另一台磁控溅射设备中，对腔室内抽真空，同时对基底加热到1100℃，当背底真空到达10-3Pa以下，开始在云母基底1的SnO2透明导电薄膜2上面溅射CdS多晶薄膜3。CdS多晶薄膜3溅射参数为：基底温度1100℃，高纯Ar气体流速100sccm，腔室压强10Pa；当CdS多晶薄膜3厚度为180nm时，停止CdS多晶薄膜3的制备。把基底转向正对CdTe靶的位置，开始溅射CdTe多晶薄膜4，CdTe多晶薄膜4溅射工艺参数为：基底温度1100℃，高纯Ar气体流速100sccm，腔室压强10Pa；当CdTe多晶薄膜4厚度为6μm时，停止CdTe多晶薄膜4的制备。停止对基底加热，待基底温度降低到室温时，取出沉积了CdS多晶薄膜3和CdTe多晶薄膜4的云母基底1。把CdCl2均匀放置在玻璃片上，然后在距离此玻璃片3mm处放上具有CdTe多晶薄膜4、CdS多晶薄膜3和透明导电薄膜2的云母基底1，CdTe多晶薄膜4正对有CdCl2的玻璃片，在450℃对CdTe多晶薄膜4进行处理5min。然后在CdCl2处理后的CdTe多晶薄膜4上蒸镀导电背电极5。
实施例9
以2mm厚、15×5cm的氟晶云母为基底1，对云母基底1进行清洗，然后在云母基底上通过磁控溅射法生长300nm厚的BZO透明导电薄膜2。生长过程如下：将云母基底1放入磁控溅射设备中，对腔室内抽真空，同时对基底加热到500℃。当背底真空到达10-3Pa以下，开始在云母基底1上溅射BZO多晶薄膜2。溅射BZO多晶薄膜2的工艺参数为：基底温度500℃，通入氧气，气体流速50sccm，腔室压强5Pa；当BZO多晶薄膜2厚度为300nm时，停止BZO多晶薄膜2的制备。然后生长CdS薄膜3，将沉积好BZO透明导电薄膜2的云母基底1放入另一台磁控溅射设备中，对腔室内抽真空，同时对基底加热到250℃，当背底真空到达10-3Pa以下，开始在云母基底1的BZO透明导电薄膜2上面溅射CdS多晶薄膜3。CdS多晶薄膜3溅射参数为：基底温度250℃，高纯Ar气体流速40sccm，腔室压强3Pa；当CdS多晶薄膜3厚度为200nm时，停止CdS多晶薄膜3的制备。停止对基底加热，待基底温度降低到室温时，取出沉积了CdS多晶薄膜3和透明导电薄膜2的云母基底1。然后利用物理气相沉积(PVD)方法制备CdTe多晶薄膜。把沉积了CdS多晶薄膜3和透明导电薄膜2的云母基底1放入PVD设备的基片位置上，把固态CdTe源放在基片正下方5mm处的石墨坩埚中，然后开始对体系抽真空，对基片加热到400℃，CdTe原料加热到700℃，待真空到达10-4Pa以下，开始在惰性气体Ar流动下，流速20sccm，沉积CdTe多晶薄膜4，当CdTe多晶薄膜4厚度为8μm时，停止CdTe多晶薄膜4的制备。停止对基底和坩埚加热，待基底和坩埚温度降低到室温时，取出沉积了CdS多晶薄膜3和CdTe多晶薄膜4的云母基底1。把CdCl2均匀放置在玻璃片上，然后在距离此玻璃片2mm处放上具有CdTe多晶薄膜4、CdS多晶薄膜3、透明导电薄膜2的云母基底1，CdTe多晶薄膜4正对有CdCl2的玻璃片，在400℃对CdTe多晶薄膜4进行处理40min。然后在CdCl2处理后的CdTe多晶薄膜4上蒸镀导电背电极5。
实施例10
以1mm厚、15×5cm的氟晶云母为基底1，对云母基底1进行清洗，然后在云母基底上通过磁控溅射法生长300nm厚的ZnO:Ti(TZO)透明导电薄膜2。生长过程如下：将云母基底1放入磁控溅射设备中，对腔室内抽真空，同时对基底加热到500℃。当背底真空到达10-3Pa以下，开始在云母基底1上溅射TZO多晶薄膜2。溅射TZO多晶薄膜2的工艺参数为：基底温度500℃，通入氧气，气体流速50sccm，腔室压强5Pa；当TZO多晶薄膜2厚度为300nm时，停止TZO多晶薄膜2的制备。将沉积好TZO透明导电薄膜2的云母基底1放入物理气相输运(VTD)设备腔室中放置基底的位置上，关闭腔室，开始对腔室抽真空，同时将基底加热到200℃。待气相输运沉积设备的腔室中压强达到10-2~10-4Pa，基底温度到达200℃后，在CdS送粉器的腔室中填入CdS粉末，向CdS送粉器通入高纯N2，控制N2流量为5sccm，通过N2把CdS粉末输送到温度为500℃加热炉中。在加热炉中，CdS粉末遇热气化、蒸发，均匀气化的CdS到达云母基底1的TZO透明导电薄膜2上沉积、形核、生长，得到0.1μm厚度的CdS薄膜3。然后，在CdTe送粉器的腔室中填入CdTe粉末，向CdTe送粉器通入高纯N2，控制N2流量为5sccm，通过N2把CdTe粉末输送到温度为500℃加热炉中。在加热炉中，CdTe粉末遇热气化、蒸发，均匀气化的CdTe到达沉积完CdS上沉积、形核、生长，得到2μm厚度的CdTe薄膜4。停止对基底加热，待基底温度降低到室温时，取出沉积了CdS多晶薄膜3和CdTe多晶薄膜4的云母基底1。把CdCl2均匀放置在玻璃片上，然后在距离此玻璃片2mm处放上具有CdTe多晶薄膜4、CdS多晶薄膜3、TZO透明导电薄膜2的云母基底1，CdTe多晶薄膜4正对有CdCl2的玻璃片，在400℃对CdTe多晶薄膜4进行处理40min。然后在CdCl2处理后的CdTe多晶薄膜4上蒸镀导电背电极5。
实施例11
以2mm厚、15×5cm的氟晶云母为基底1，对云母基底1进行清洗，然后在云母基底上通过磁控溅射法生长300nm厚的Cd2SnO4透明导电薄膜2。生长过程如下：将云母基底1放入磁控溅射设备中，对腔室内抽真空，同时对基底加热到500℃。当背底真空到达10-3Pa以下，开始在云母基底1上溅射Cd2SnO4多晶薄膜2。溅射Cd2SnO4多晶薄膜2的工艺参数为：基底温度500℃，通入氧气，气体流速50sccm，腔室压强5Pa；当Cd2SnO4多晶薄膜2厚度为300nm时，停止Cd2SnO4多晶薄膜2的制备。然后生长CdS薄膜3，将沉积好Cd2SnO4透明导电薄膜2的云母基底1放入另一台磁控溅射设备中，对腔室内抽真空，同时对基底加热到1100℃，当背底真空到达10-3Pa以下，开始在云母基底1的Cd2SnO4透明导电薄膜2上面溅射CdS多晶薄膜3。CdS多晶薄膜3溅射参数为：基底温度1100℃，高纯Ar气体流速100sccm，腔室压强10Pa；当CdS多晶薄膜3厚度为180nm时，停止CdS多晶薄膜3的制备。把基底转向正对CdTe靶的位置，开始溅射CdTe多晶薄膜4，CdTe多晶薄膜4溅射工艺参数为：基底温度1100℃，高纯Ar气体流速100sccm，腔室压强10Pa；当CdTe多晶薄膜4厚度为6μm时，停止CdTe多晶薄膜4的制备。停止对基底加热，待基底温度降低到室温时，取出沉积了CdS多晶薄膜3和CdTe多晶薄膜4的云母基底1。把CdCl2均匀放置在玻璃片上，然后在距离此玻璃片3mm处放上具有CdTe多晶薄膜4、CdS多晶薄膜3和透明导电薄膜2的云母基底1，CdTe多晶薄膜4正对有CdCl2的玻璃片，在450℃对CdTe多晶薄膜4进行处理5min。然后在CdCl2处理后的CdTe多晶薄膜4上蒸镀导电背电极5。
实施例12
以1mm厚、15×5cm的氟晶云母为基底1，对云母基底1进行清洗，然后在云母基底上通过磁控溅射法生长1000nm厚的IMO透明导电薄膜2。生长过程如下：将云母基底1放入磁控溅射设备中，对腔室内抽真空，同时对基底加热到250℃。当背底真空到达10-3Pa以下，开始在云母基底1上溅射IMO多晶薄膜2。溅射IMO多晶薄膜2的工艺参数为：基底温度250℃，通入氧气，气体流速20sccm，腔室压强3Pa；当IMO多晶薄膜2厚度为1000nm时，停止IMO多晶薄膜2的制备。然后生长CdS薄膜3，将沉积好透明导电薄膜2的云母基底1放入磁控溅射设备中，对腔室内抽真空，同时对基底加热到1100℃，当背底真空到达10-3Pa以下，开始在云母基底1的IMO透明导电薄膜2上面溅射CdS多晶薄膜3。CdS多晶薄膜3溅射参数为：基底温度1100℃，高纯Ar气体流速100sccm，腔室压强10Pa；当CdS多晶薄膜3厚度为500nm时，停止CdS多晶薄膜3的制备。停止对基底加热，待基底温度降低到室温时，取出沉积了CdS多晶薄膜3和IMO2的云母基底1。然后利用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)制备CdTe多晶薄膜。以二甲基镉和二异丙吉碲为前驱物，以氢气为载气，把沉积了CdS多晶薄膜3和IMO2的云母基底1放在MOCVD设备的石墨基座上，把石墨基座温度设定在300℃，通过热辐射进行加热，通过加热使氢气热分解Cd和Te反应得到CdTe多晶薄膜，当CdTe多晶薄膜4厚度为10μm时，停止CdTe多晶薄膜4的制备。然后把CdCl2饱和的甲醇溶液均匀滴在CdTe多晶薄膜4上，在450℃对CdTe多晶薄膜4退火处理5min。然后用在CdCl2处理后的CdTe多晶薄膜4上蒸镀导电背电极5。
实施例13
以0.02mm厚、15×5cm的氟晶云母为基底1，对云母基底1进行清洗，然后利用脉冲激光沉积方法在云母基底上生长ITO透明导电薄膜2。将云母衬底1放入脉冲激光沉积设备的真空室中，抽真空，同时对云母衬底1升温到400℃，当脉冲激光沉积设备的真空室真空至10-3Pa以下，云母衬底1温度到达400℃，开始沉积ITO多晶薄膜2，氧气压为4Pa，所用激光频率为10Hz，能量为300mJ，脉冲宽度为25ns，当ITO厚度为1500nm时，停止生长。然后开始在云母基底1的ITO透明导电薄膜2上面溅射CdS多晶薄膜3，将沉积好透明导电薄膜2的云母基底1放入另一台磁控溅射设备中，对腔室内抽真空，同时对基底加热到250℃，当背底真空到达10-3Pa以下，开始在具有导电薄膜2的云母基底1上溅射CdS多晶薄膜3。CdS多晶薄膜3溅射参数为：基底温度250℃，高纯Ar气体流速40sccm，腔室压强3Pa；当CdS多晶薄膜3厚度为140nm时，停止CdS多晶薄膜3的制备。停止对基片加热，待基片温度冷却到室温，取出沉积了CdS3、ITO2的云母基底1。利用电沉积法在沉积了CdS3、ITO2的云母基底1上制备CdTe4多晶薄膜。用分析纯TeO2、CdSO4、H2SO4为原料，以去离子水为溶剂，配置0.5mol/L CdSO4、饱和TeO2和0.15mol/L H2SO4的电解液，使用有盖的三电极玻璃电解池，饱和甘汞电极作参比电极，1×1.5cm的Pt片作对电极，预先在Pt片镀上一层极薄的铜，然后磨平、洗净，辅助电极为Pt丝。把沉积了CdS2和透明导电薄膜1的云母基底1放入配好的溶液中，溶液恒温于80℃。用81-2型磁力恒温搅拌器加热、搅拌，制备厚度为2μm的CdTe多晶薄膜4。把CdCl2均匀放置在玻璃片上，然后在距离此玻璃片2mm处放上具有CdTe多晶薄膜4、CdS多晶薄膜3和透明导电薄膜2的云母基底1，CdTe多晶薄膜4正对有CdCl2的玻璃片，在400℃对CdTe进行处理40min。然后在CdCl2处理后的CdTe多晶薄膜4上蒸镀导电背电极5。
实施例14
以0.2mm厚、15×15cm的氟晶云母为基底，对云母基底1进行清洗，然后在云母基底上通过磁控溅射法生长800nm厚的Zn2SnO4透明导电薄膜2。生长过程如下：将云母基底1放入磁控溅射设备中，对腔室内抽真空，同时对基底加热到250℃。当背底真空到达10-3Pa以下，开始在云母基底1上溅射Zn2SnO4多晶薄膜2。溅射Zn2SnO4多晶薄膜2的工艺参数为：基底温度250℃，通入氧气，气体流速20sccm，腔室压强3Pa；当Zn2SnO4多晶薄膜2厚度为800nm时，停止Zn2SnO4多晶薄膜2的制备。然后生长利用分子束外延方法制备CdS薄膜3，将沉积好Zn2SnO4透明导电薄膜2的云母基底1放入分子束外延设备衬底的位置，首先将云母基底1/Zn2SnO42在250℃除气20min，接着将云母基底1/Zn2SnO42的温度降低到230℃，进行CdS多晶薄膜3的生长，生长时间10min，生长过程中生长室内气压约1×10-5Pa，CdS束流强度为5×10-5Pa。然后在CdS多晶薄膜3上生长CdTe薄膜4。采用真空热蒸发技术制备CdTe，薄膜首先将原子配比为1:1的高纯(5N)Cd、Te粉末原料在玛瑙研钵中进行充分研磨、混合均匀，把充分混合的Cd和Te原料置于真空热蒸发设备的钼舟中。将CdS多晶薄膜3/Zn2SnO4透明导电薄膜2/云母衬底1放入真空热蒸发制备中，对腔室内抽真空，同时对基底加热到250℃，当背底真空到达10-3Pa以下，开始制备CdTe多晶薄膜4，CdTe多晶薄膜4制备的工艺参数为：玻璃衬底的温度为250℃，衬底转速为200r/min，调节蒸发电流、蒸发时间制备厚度为4μm的CdTe薄膜。停止对基底加热，待基底温度降低到室温时，取出沉积了CdS多晶薄膜3和CdTe多晶薄膜4的云母基底1。将制备好的薄膜置于退火炉中，在N2气氛中，在500℃对制备好的CdTe薄膜退火处理10min。把CdCl2均匀放置在玻璃片上，然后在距离此玻璃片2mm处放上具有CdTe多晶薄膜4、CdS多晶薄膜3和透明导电薄膜2的云母基底1，CdTe多晶薄膜4正对有CdCl2的玻璃片，在400℃对CdTe进行处理40min。然后在CdCl2处理后的CdTe多晶薄膜4上蒸镀导电背电极5。
实施例15
以0.02mm厚、15×5cm的氟晶云母为基底1，对云母基底1进行清洗，然后在云母基底上通过磁控溅射法生长600nm厚的SnO2透明导电薄膜2。生长过程如下：将云母基底1放入磁控溅射设备中，对腔室内抽真空，同时对基底加热到500℃。当背底真空到达10-3Pa以下，开始在云母基底1上溅射SnO2多晶薄膜2。溅射SnO2多晶薄膜2的工艺参数为：基底温度500℃，通入氧气，气体流速50sccm，腔室压强5Pa；当SnO2多晶薄膜2厚度为600nm时，停止SnO2多晶薄膜2的制备。然后通过化学水浴法（CBD）制备CdS薄膜3，把有SnO2透明导电薄膜2的云母基底1放入到装有CdCl2:溶液和NH4Cl溶液的反应池中，开始加热，并启动磁转子，当反应液的温度达到80℃左右时，加入氨水溶液，恒温约5min加入硫脲反应约30min，取出云母基底，用红外灯烘干具有SnO2透明导电薄膜2的云母基底1，在SnO2透明导电薄膜2上得到厚度为500nm的CdS多晶薄膜3。然后通过丝网印刷法制备CdTe多晶薄膜3，将含有Cd、Te、CdCl2、以及合适黏合剂构成的浆料通过丝网印刷法把CdTe印刷在沉积好CdS多晶薄膜3上，通过烘干过程把黏合剂烘干，然后烘烤薄膜到700℃来再结晶并激活结。然后在CdCl2处理后的CdTe多晶薄膜4上蒸镀导电背电极5。
Claims (7)
1.一种制备柔性CdTe薄膜太阳能电池的方法，其特征是制备所述柔性CdTe薄膜太阳能电池的工艺包括以下步骤：
1)清洗云母衬底(1)；
2)在云母衬底(1)上生长透明导电薄膜(2)；所述的透明导电薄膜(2)为In2O3:Sn(ITO)或ZnO:Al(AZO)或InO:B(BZO)或In2O3:Mo(IMO)或石墨烯或ZnSnO3或SnO2:F(FTO)或NiO或Zn2SnO4或Cd2SnO4或ZnO:Ti(TZO)；
3)在制备好透明导电薄膜(2)的云母衬底(1)上依次生长CdS和CdTe薄膜：在磁控溅射炉放置基底的位置上放上制备好透明导电薄膜(2)的云母衬底(1)，盖上磁控溅射炉的炉盖，对磁控溅射炉腔室抽真空，并升温使云母衬底(1)的温度保持在25-1100℃；当背底真空到达10-3Pa以下，开始溅射CdS多晶薄膜(3)；当在云母衬底(1)上的透明导电薄膜(2)上生长CdS多晶薄膜(3)的厚度为20-50nm时，停止CdS多晶薄膜(3)的制备；把云母衬底(1)转向正对CdTe靶的位置，开始溅射CdTe多晶薄膜(4)；当在CdS多晶薄膜(3)上所溅射的CdTe厚度0.5-2μm时，停止CdTe多晶薄膜(4)的制备，同时停止对云母衬底(1)加热，待云母衬底(1)温度降低到室温时，取出沉积了CdS多晶薄膜(3)和CdTe多晶薄膜(4)的云母衬底(1)；
4)在有CdCl2蒸气的气氛中对步骤(3)制备的CdS多晶薄膜(3)和CdTe多晶薄膜(4)进行退火处理；
5)在经退火处理后的CdTe多晶薄膜(4)上蒸镀导电背电极(5)；
至此制得柔性CdTe多晶薄膜太阳能电池；
所述的柔性CdTe薄膜电池采用云母做为衬底，其结构为云母衬底(1)上为透明导电薄膜(2)，透明导电薄膜(2)的上层为CdS多晶薄膜(3)，CdS多晶薄膜(3)的上层为CdTe多晶薄膜(4)，CdTe多晶薄膜(4)的上层为导电背电极(5)；所述的云母衬底(1)的厚度为0.02-2mm，在400nm-3000nm的透过率为90％，能够承受1100℃的温度。
2.按照权利要求1所述的制备柔性CdTe薄膜太阳能电池的方法，其特征是，所述步骤2)生长透明导电薄膜(2)的工艺方法采用磁控溅射法或脉冲激光沉积技术或喷涂热解法或分子束外延法或胶法凝胶法或化学气相沉积法。
3.按照权利要求1所述的制备柔性CdTe薄膜太阳能电池的方法，其特征是，所述的CdS多晶薄膜(3)的溅射条件为：所述的云母衬底(1)的温度为25-1100℃，向腔室内通入高纯Ar气，气体流速10-100sccm，腔室压强0.1-10Pa。
4.按照权利要求1所述的制备柔性CdTe薄膜太阳能电池的方法，其特征是，所述的CdTe多晶薄膜(4)的溅射条件为：云母衬底(1)的温度为25-1100℃，向腔室内通入高纯Ar气，气体流速10-100sccm，腔室压强0.1-10Pa。
5.按照权利要求1所述的制备柔性CdTe薄膜太阳能电池的方法，其特征是，所述的步骤4)是在有CdCl2蒸气的气氛中，在350-500℃对CdTe多晶薄膜(4)退火处理5-120min。
6.按照权利要求1或5所述的制备柔性CdTe薄膜太阳能电池的方法，其特征是，所述的退火处理采用干法；所述的干法退火工艺步骤是：把CdCl2均匀放置在玻璃片上，然后在距离此玻璃片1-5mm处放置具有CdTe多晶薄膜(4)、CdS多晶薄膜(3)和透明导电薄膜(2)的云母衬底(1)，CdTe多晶薄膜(4)正对有CdCl2的玻璃片，对CdTe多晶薄膜(4)进行退火处理。
7.按照权利要求1所述的制备柔性CdTe薄膜太阳能电池的方法，其特征是，所述的步骤5)中在经CdCl2处理后的CdTe多晶薄膜(4)上蒸镀大于5nm的导电背电极(5)。
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