CN102943241B - 卷对卷柔性pi衬底上制备掺钠吸收层的方法 - Google Patents

卷对卷柔性pi衬底上制备掺钠吸收层的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种卷对卷柔性PI衬底上制备掺钠吸收层的方法，其特点是：步骤包括：1、工作前的准备；2、制备掺Na的IGS膜；3、制备富铜CIGS膜；4、卷对卷柔性PI衬底上制备本发明掺钠吸收层。本发明通过采用真空蒸发工艺、并将各蒸发源距PI衬底保持300‑400mm的距离，加之调整PI衬底的走带速度，使PI衬底在450℃以下，各蒸发源蒸发后的各元素即能在PI衬底的背电极Mo上很好的化合，在背电极Mo上形成厚度均匀掺Na的IGS膜；由于Na原子扩散进入IGS膜的晶界位置，形成深能级缺陷；为钠完全均匀掺入到大面积吸收层中、增强吸收层的附着打下了基础；并起到提高电池开路电压和改善电池电学性能的作用。

Description

卷对卷柔性PI衬底上制备掺钠吸收层的方法
技术领域
本发明属于铜铟镓硒薄膜太阳电池技术领域，尤其是涉及一种卷对卷柔性PI衬底上制备掺钠吸收层的方法。
背景技术
随着能源危机的日趋严重，可再生能源越来越受到人们的重视。而其中，太阳光能以其取之不尽，清洁无污染成为最具潜力的技术。硅基太阳能技术是目前最为成熟的，也是市场占有率最高的，但是受制于高耗能、高污染的制备过程，使其并不能成为最理想的太阳能技术。近年来，薄膜太阳能技术开始兴起，由于薄膜电池具有重量轻、成本低、易安装等优点，一经提出便有了迅猛的发展。而其中铜铟镓硒薄膜太阳电池具有光电转换效率高、稳定性好、抗辐射等诸多优势，成为了最为发展前途的薄膜光伏器件。相比传统的玻璃衬底的薄膜电池，柔性衬底铜铟镓硒太阳电池具有质量比能量高(质量比功率一般大于1000W/kg)、抗辐射能力强等优点，能够被广泛应用于各个领域。
铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳电池的基本结构是：柔性衬底/背电极(双层Mo)/吸收层(CIGS半导体薄膜)/缓冲层(CdS)/窗口层/透明上电极层/金属栅线电极/减反射层，其中作为光的吸收层的铜铟镓硒半导体薄膜对太阳电池性能起着决定性的作用。众所周知，铜铟镓硒薄膜太阳电池中，大部分光生载流子的输运和收集工作是由作为吸收层完成，所以吸收层的电学性能及其晶体结构对太阳电池的电学性能起着决定性的作用。吸收层中Na的存在可以极大的改善太阳电池电学性能这一点已经被大多数的研究者所接受。最开始人们发现Na是来自于制备电池所用的钙钠玻璃衬底本身。
柔性PI(聚酰亚胺)具有质量轻、可弯曲、不怕摔碰、质量比功率高、适合大面积卷对卷生产等显著优点，因此人们开始采用柔性PI作为柔性衬底制备铜铟镓硒薄膜太阳电池，但是由于PI中不存在Na元素，为提高吸收层的电学性能及其晶体结构，采用人为掺入钠来制备的吸收层。
目前公知的人为钠掺杂制备吸收层的方法较多，但是对作为基底的柔性衬底耐高温性要求都较高，而柔性PI衬底所能承受的最高温度在480℃左右，特别是在卷对卷柔性PI衬底的背电极上制备吸收层时，由于柔性PI衬底处于运动状态，柔性PI衬底在运动过程中温度会相对降低，通过目前公知的人为掺入钠制备的吸收层会导致钠不能完全均匀掺入到吸收层中，并且背电极上吸收层的附着力下降，吸收层容易脱落，不仅会降低制备成铜铟镓硒薄膜太阳电池的性能，还会影响到其寿命。
发明内容
本发明为解决背景技术中存在的技术问题而提供了一种PI衬底在低温下能够将钠完全均匀掺入到大面积吸收层中、吸收层的附着性强、厚度均匀、电性能好，有利于最终制备大面积铜铟镓硒薄膜太阳能电池的卷对卷柔性PI衬底制备掺钠吸收层的方法。
本发明采取的技术方案是：
卷对卷柔性PI衬底上制备掺钠吸收层的方法，其特点是：包括以下步骤：
步骤1：工作前的准备
将卷绕PI柔性衬底的两个滚轴平行置于制备吸收层用真空室内部的沉积薄膜室中，卷对卷PI柔性衬底背电极Mo的一面向下平行于水平面；沉积薄膜室的下面为三个工艺室，分别称为一室、二室和三室；一室中置有作为蒸发源的NaF源、Ga源、In源和Se源；二室中置有作为蒸发源的NaF源、Cu源、Ga源、In源和Se源；三室中置有作为蒸发源的NaF源、Cu源、Ga源、In源和Se源；全部蒸发源下面均置有加热器；各室的蒸发源与PI柔性衬底之间的距离为300-400mm；各室中PI柔性衬底的走带速度均为10-20mm/min；
步骤2：制备掺Na的IGS膜
沉积薄膜室抽真空至压强小于2×10-3Pa，同时开启一室加热板，沉积薄膜室的压强达到10-2Pa后，控制一室内上PI柔性衬底温度为400-450℃时，开启一室中各蒸发源的加热器，加热至一室NaF源600℃-700℃、一室Ga源930-980℃、一室In源890-940℃、一室Se源260-300℃，各蒸发源的蒸发速率4-6×106cps，各元素在PI柔性衬底的背电极Mo膜上化合，背电极Mo上得到一层100nm-150nm掺Na的IGS膜；
步骤3：制备富铜CIGS膜
由终端滚轴带动PI柔性衬底移动到二室，在步骤2制备Na的IGS膜基础上，控制二室内衬底温度保持在400-450℃、沉积薄膜室的压强10-2Pa，加热二室中各蒸发源的加热器，加热至二室NaF源600℃-700℃、二室Cu源1200-1300℃、二室Ga源960-1010℃、二室In源900-950℃、二室Se源240-280℃，保持PI柔性衬底的走带速度10-20mm/min，得到1.3-1.8μm的富铜CIGS膜；
步骤4：完成本发明掺钠吸收层的制备
由终端滚轴带动PI柔性衬底移动到三室，在步骤3富铜CIGS膜基础上，依然保持三室内衬底温度400-450℃、沉积薄膜室的压强10-2Pa，加热三室中各蒸发源的加热器，加热至三室NaF源600℃-700℃、三室Cu源1200-1250℃、三室Ga源960-1010℃、三室In源900-950℃、三室Se源240-280℃，保持PI柔性衬底的走带速度10-20mm/min，得到0.5-0.8μm厚的表面贫铜CIGS膜，冷却后，步骤2-4的膜即成为强力附着在背电极Mo的上掺钠吸收层。
本发明具有的优点和积极效果是：
1、本发明通过采用真空蒸发工艺、并将各蒸发源距PI衬底保持300-400mm的距离，加之调整PI衬底的走带速度，使PI衬底在450℃以下，各蒸发源蒸发后的各元素即能在PI衬底的背电极Mo上很好的化合，在背电极Mo上形成厚度均匀掺Na的IGS膜；由于Na原子扩散进入IGS膜的晶界位置，形成深能级缺陷；为钠完全均匀掺入到大面积吸收层中、增强吸收层的附着打下了基础；并起到提高电池开路电压和改善电池电学性能的作用。
2、本发明工艺简单，成本低适合于大规模生产。
附图说明
图1是本发明制备吸收层用真空室内部主视示意图；
图2是图1的左视示意图。
图中：1-沉积薄膜室；2-始端滚轴；3-一室加热板；4-二室加热板；5-终端滚轴；6-柔性衬底；7-三室加热板；8-三室Se源加热器；9-三室In源；10-三室In源加热器；11-三室Ga源；12-三室Ga源加热器；13-三室Cu源；14-三室Cu源加热器；15-三室NaF源；16-三室NaF源加热器；17-二室Se源；18-二室Se源加热器；19-二室In源加热器；20-二室In源；21-二室Ga源加热器；22-二室Ga源；23-二室Cu源加热器；24-二室Cu源；25-二室NaF源加热器；26-二室NaF源；27-一室Se源加热器；28-一室Se源；29-一室In源加热器；30-一室In源；31-一室Ga源加热器；32-一室Ga源；33-一室NaF源加热器；34-一室NaF源；35-三室Se源；36-第一工艺室；37-第二工艺室；38-第三工艺。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
本发明的制备步骤，如图1-2所示：
步骤1：工作前的准备
将作为制备吸收层用真空室内部沉积薄膜室1中始端滚轴2上的整卷PI柔性衬底外端卷到终端滚轴5上，形成卷对卷PI柔性衬底6，卷绕后两滚轴之间的PI柔性衬底形成水平面，并且沉积有背电极Mo的一面向下，沉积薄膜室中背电极Mo下面自左至右依次为第一工艺室(以下简称一室)36、第二工艺室(以下简称二室)37和第三工艺室(以下简称三室)38；沉积薄膜室中，位于一室上PI柔性衬底的上方置有一室加热板3、位于二室上PI柔性衬底的上方置有二室加热板4、位于三室上PI柔性衬底的上方置有三室加热板7；一室中置有作为蒸发源的一室NaF源34、一室Ga源32、一室In源30和一室Se源28，其中一室NaF源下面置有一室NaF源加热器33、一室Ga源下面置有一室Ga源加热器31、一室In源下面置有一室In源加热器29、一室Se源28下面置有一室Se源加热器27；二室中置有作为蒸发源的二室NaF源26、二室Cu源24、二室Ga源22、二室In源20和二室Se源17，其中，二室NaF源下面置有二室NaF源加热器25、二室Cu源下面置有二室Cu源加热器23、二室Ga源下面置有二室Ga源加热器21、二室In源下面置有二室In源加热器19、二室Se源下面置有二室Se源加热器18；三室中置有作为蒸发源的三室NaF源15、三室Cu源13、三室Ga源11、三室In源9和三室Se源35，其中，三室NaF源下面置有三室NaF源加热器16、三室Cu源下面置有三室Cu源加热器14、三室Ga源下面置有三室Ga源加热器12、三室In源下面置有三室In源加热器10、三室Se源下面置有三室Se源加热器8；各室的蒸发源与PI柔性衬底之间的距离为300-400mm；
步骤2：制备掺Na的IGS膜
通过真空系统将各室的压强均抽真空至10-4Pa以下，对沉积薄膜室抽真空至压强小于2×10-3Pa，同时开启一室加热板，沉积薄膜室的压强达到10-2Pa后，控制一室内上PI柔性衬底温度为400-450℃时，开启一室中各蒸发源的加热器，加热至一室NaF源600℃-700℃、一室Ga源930-980℃、一室In源890-940℃、一室Se源260-300℃，各蒸发源的蒸发速率4-6×106cps，PI柔性衬底的走带速度控制在10-20mm/min，各元素在PI柔性衬底的背电极Mo膜上较好的化合，背电极Mo上得到一层100nm-150nm的掺Na的IGS膜；由于Na原子扩散进入IGS膜的晶界位置，形成深能级缺陷，为钠完全均匀掺入到大面积吸收层中、增强吸收层的附着打下了基础；并起到提高电池开路电压和改善电池电学性能的作用；
步骤3：制备富铜CIGS膜
由终端滚轴带动PI柔性衬底移动到二室，在步骤2制备Na的IGS膜基础上，控制二室内衬底温度保持在400-450℃、沉积薄膜室的压强10-2Pa，加热二室中各蒸发源的加热器，加热至二室NaF源600℃-700℃、二室Cu源1200-1300℃、二室Ga源960-1010℃、二室In源900-950℃、二室Se源240-280℃，保持PI柔性衬底的走带速度10-20mm/min，得到1.3-1.8μm的富铜CIGS膜；
步骤4：完成本发明掺钠吸收层的制备
由终端滚轴带动PI柔性衬底移动到三室，在步骤3富铜CIGS膜基础上，依然保持三室内衬底温度400-450℃、沉积薄膜室的压强10-2Pa，加热三室中各蒸发源的加热器，加热至三室NaF源600℃-700℃、三室Cu源1200-1250℃、三室Ga源960-1010℃、三室In源900-950℃、三室Se源240-280℃，保持PI柔性衬底的走带速度10-20mm/min，得到0.5-0.8μm厚的表面贫铜CIGS膜，冷却后，步骤2-4的膜即成为强力附着在背电极Mo的上掺钠吸收层，制备成电池后，电池的转换效率得到明显提高。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.卷对卷柔性PI衬底上制备掺钠吸收层的方法，其特征在于：包括以下制备步骤：
步骤1：工作前的准备
将卷绕PI柔性衬底的两个滚轴平行置于制备吸收层用真空室内部的沉积薄膜室中，卷对卷PI柔性衬底背电极Mo的一面向下平行于水平面；沉积薄膜室的下面为三个工艺室，分别称为一室、二室和三室；一室中置有作为蒸发源的NaF源、Ga源、In源和Se源；二室中置有作为蒸发源的NaF源、Cu源、Ga源、In源和Se源；三室中置有作为蒸发源的NaF源、Cu源、Ga源、In源和Se源；全部蒸发源下面均置有加热器；各室的蒸发源与PI柔性衬底之间的距离为300-400mm；各室中PI柔性衬底的走带速度均为10-20mm/min；
步骤2：制备掺Na的IGS膜
沉积薄膜室抽真空至压强小于2×10-3Pa，同时开启一室加热板，沉积薄膜室的压强达到10-2Pa后，控制一室内上PI柔性衬底温度为400-450℃时，开启一室中各蒸发源的加热器，加热至一室NaF源600℃-700℃、一室Ga源930-980℃、一室In源890-940℃、一室Se源260-300℃，各蒸发源的蒸发速率4-6×106cps，各元素在PI柔性衬底的背电极Mo膜上化合，背电极Mo上得到一层100nm-150nm掺Na的IGS膜；
步骤3：制备富铜CIGS膜
由终端滚轴带动PI柔性衬底移动到二室，在步骤2制备Na的IGS膜基础上，控制二室内衬底温度保持在400-450℃、沉积薄膜室的压强10-2Pa，加热二室中各蒸发源的加热器，加热至二室NaF源600℃-700℃、二室Cu源1200-1300℃、二室Ga源960-1010℃、二室In源900-950℃、二室Se源240-280℃，保持PI柔性衬底的走带速度10-20mm/min，得到1.3-1.8μm的富铜CIGS膜；
步骤4：完成本发明掺钠吸收层的制备
由终端滚轴带动PI柔性衬底移动到三室，在步骤3富铜CIGS膜基础上，依然保持三室内衬底温度400-450℃、沉积薄膜室的压强10-2Pa，加热三室中各蒸发源的加热器，加热至三室NaF源600℃-700℃、三室Cu源1200-1250℃、三室Ga源960-1010℃、三室In源900-950℃、三室Se源240-280℃，保持PI柔性衬底的走带速度10-20mm/min，得到0.5-0.8μm厚的表面贫铜CIGS膜，冷却后，步骤2-4的膜即成为强力附着在背电极Mo的上掺钠吸收层。
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