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全球能源需求逐年攀高,在节能及环保意识抬头下,发展再生能源为全球共同的目标;以再生能源来说,无论水力、风力、地热发电来说,均需以动能转换方式来获得转换效率,而太阳能发电则是利用太阳光转换成电能之发电系统,在太阳能发电系统中无可动部分,不像风力、水力、地热等发电系统中均须用到转动机械,因此不会有高温高压及噪音等困扰,在发电过程中不造成环境负担,为一洁净地绿色能源。另外,太阳光源取之不尽用之不竭的特性,使得太阳能发电系统能具有永续利用之一大优点;虽然现今太阳能发电之光电转换效率尚不高,但太阳能发电系统不需耗费额外的能源成本为其优势,换句话说,这些原本不被人们利用的能源现在有部分比例作为电力来源。太阳每天照射到地表的能量,超过全人类30年所需要的能源,太阳能电池已成为未来替代能源的主流。预估至2100年全球能源使用太阳能的利用率将达60%。
太阳能电池的种类众多,而CIGS(铜铟镓硒)薄膜太阳能电池拥有高转换效率及发展潜力而受到瞩目,目前CIGS(铜铟镓硒)薄膜太阳能电池最高转换效率由美国再生能源实验室(NREL)所创造,其效率已达20%。CIGS从1995年发展至今转换效率已经提高足足有7%之多,相较于同样时间内CdTe的4%、单晶硅与多晶硅各为3%以及非晶硅的1%,足以看出CIGS在转换效率上的发展潜力。CIGS属于Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族的多晶黄铜矿结构 (Chalcopyrite) 化合物,是一种由Ⅱ-Ⅵ族化合物闪锌矿结构 (Zinc-Blend Structure) 所衍生而来的半导体材料,由两个闪锌矿之单位晶胞堆栈而成,原属Ⅱ族元素之晶格位置由Ⅰ族及Ⅲ族所取代而形成,而黄铜矿内部In所处晶格位置则可为所添加之Ga元素取代。CIGS(铜铟镓硒)具有直接能隙(Direct band-gap)性质的P-type半导体特性,并且有相当高的光吸收系数α(α=104~105 cm-1),是单晶硅的100倍,能涵盖大部分的太阳光谱,与其它太阳能电池相比,故仅需1~3μm的厚度,即可吸收99%以上的入射太阳光。目前CIGS薄膜太阳能电池最高转换效率由美国再生能源实验室(NREL)所创造,其效率已达20%。且NREL于2011年评估报告显示,CIGS(铜铟镓硒)在转换效率上会以每年0.3%往上成长。
CIGS(铜铟镓硒)薄膜太阳能电池发展至今其组件结构大致件由上电极(AL/Ni)、抗反射层(MgF2)、光窗层(AZO/ITO)、缓冲层( CdS)、吸收层(CIGS)、背电极(Mo)与基板(SS/GLASS/PET)所组成;在单一膜层内,各材料成份比之参数调配、薄膜晶体结构、制程方式与最佳化制程等各种因素为其制备上的挑战,此外,还需考虑到各膜层堆栈成组件的匹配性、各膜层制备方式与制程间的相互影响等众多因素,尤其从相关文献显示CIGS(铜铟镓硒)对于各种制程参数下对于组件影响极其敏感,更增添CIGS(铜铟镓硒)薄膜太阳能电池在制备上的困难,同时也使得技术门坎相对地提高,在国际光伏界认为是技术难度比较大的一种太阳电池。
靶材是具有固定形状用于溅射镀膜之母材。靶材若依材料分类可简单地分为金属与陶瓷两大类,若依制程分类通常可大略区分为熔炼制程与粉末冶金制程两大类。大多数金属靶材采熔炼制程,少数靶材鉴于使用时晶粒大小控制、合金成份熔点差距太大等诸因素才采用粉末冶金制程。针对氧化物靶材传统是用热压制程或者冷均压再烧结制程,材料混合均匀性差,且烧结过程中应力分布不均,不易生产高密度大尺寸的氧化物靶材。目前光电及半导体产业中如触控屏、集成电路、液晶屏、建筑玻璃、光学膜及薄膜太阳能电池等,为获得大面积均匀性及量产性,相关薄膜均大量使用真空磁控溅镀制程。
CIGS膜层中吸收层及缓冲层是影响电池效率及生产方式的重要膜层,传统研究显示使用水浴法的CdS膜层能够表现出较佳的电池效率。吸收层一般使用真空蒸镀及真空磁控溅镀加后硒化热处理的两种主要制程,具有大面积成膜及获得较佳均匀性的特性。缓冲层功能,防止金属与半导体接触形成并联电阻,保护吸收层及吸收层钝态表面平整化。缓冲层需求特性需高光穿透率,有效地控制薄膜厚度 (30 nm~50 nm)及薄膜均匀覆盖。但若使用水浴法的CdS做为缓冲层,则有制程不连续、Cd污染问题大及大面积均匀性不佳等缺点。
具体实施方式:
实施例1:
一种制备新型缓冲层氧化物靶材的方法,下列物质的重量用重量份数表示:将100份氧化锌中添加1.0份的氧化镁和第三种氧化物,再加68份的氧化锆球、30份的纯水及2份的分散剂, 将上述材料研磨充分混合,研磨时间10小时,形成浆料,然后将浆料灌入三寸的多孔性模具中,经过24小时的干燥后,脱膜形成胚体,然后经过1350度的高温6小时烧结,即能形成溅镀用缓冲层氧化物靶材胚体,经切割与表面研磨成三寸缓冲层氧化物靶材。
第三种氧化物为0.1份的氧化铝。
其中分散剂为质量分数为0.5%聚丙烯酸钠水溶液。
一种制备新型缓冲层氧化物薄膜的方法,将上述制得的缓冲层氧化物靶材先以DC电源溅镀第一层500nm厚的Mo薄膜,然后共蒸镀制造第二层2000nm厚的CIGS吸收层薄膜,最后以水浴法镀制第三层100nm 厚的CdS薄膜,以真空抽气系统将溅镀腔体背景压力抽至0.7×10-5torr后,利用氩气当作工作气体,透过节流阀将通入氩气控制溅镀腔体的工作压力为2×10-3torr,用功率250瓦的RF电源进行溅镀制程,制得薄膜厚度为90nm的透明缓冲层氧化物薄膜。
实施例2:
一种制备新型缓冲层氧化物靶材的方法,下列物质的重量用重量份数表示:将100份氧化锌中添加5.0份的氧化镁和第三种氧化物,再加68份的氧化锆球、30份的纯水及2份的分散剂, 将上述材料研磨充分混合,研磨时间12小时,形成浆料,然后将浆料灌入三寸的多孔性模具中,经过24小时的干燥后,脱膜形成胚体,然后经过1450度的高温6小时烧结,即能形成溅镀用缓冲层氧化物靶材胚体,经切割与表面研磨成三寸缓冲层氧化物靶材。
第三种氧化物为2.5份的氧化铝。
其中分散剂为质量分数为1.2%聚丙烯酸钠水溶液。
一种制备新型缓冲层氧化物薄膜的方法,将上述制得的缓冲层氧化物靶材先以DC电源溅镀第一层500nm厚的Mo薄膜,然后共蒸镀制造第二层2000nm厚的CIGS吸收层薄膜,最后以水浴法镀制第三层100nm 厚的CdS薄膜,以真空抽气系统将溅镀腔体背景压力抽至0.8×10-5 torr后,利用氩气当作工作气体,透过节流阀将通入氩气控制溅镀腔体的工作压力为2×10-3torr,用功率250瓦的RF电源进行溅镀制程,制得薄膜厚度为100nm的透明缓冲层氧化物薄膜。
实施例3:
一种制备新型缓冲层氧化物靶材的方法,下列物质的重量用重量份数表示:将100份氧化锌中添加10.0份的氧化镁和第三种氧化物,再加68份的氧化锆球、30份的纯水及2份的分散剂, 将上述材料研磨充分混合,研磨时间14小时,形成浆料,然后将浆料灌入三寸的多孔性模具中,经过24小时的干燥后,脱膜形成胚体,然后经过1550度的高温6小时烧结,即能形成溅镀用缓冲层氧化物靶材胚体,经切割与表面研磨成三寸缓冲层氧化物靶材。
第三种氧化物为5.0份的氧化铝。
其中分散剂为质量分数为2%聚丙烯酸钠水溶液。
一种制备新型缓冲层氧化物薄膜的方法,将上述制得的缓冲层氧化物靶材先以DC电源溅镀第一层500nm厚的Mo薄膜,然后共蒸镀制造第二层2000nm厚的CIGS吸收层薄膜,最后以水浴法镀制第三层100nm 厚的CdS薄膜,以真空抽气系统将溅镀腔体背景压力抽至0.9×10-5 torr后,利用氩气当作工作气体,透过节流阀将通入氩气控制溅镀腔体的工作压力为2×10-3torr,用功率250瓦的RF电源进行溅镀制程,制得薄膜厚度为110nm的透明缓冲层氧化物薄膜。
实施例4:
一种制备新型缓冲层氧化物靶材及其氧化物薄膜的方法,第三种氧化物为0.1份的氧化镓。
其余同实施例1。
实施例5:
一种制备新型缓冲层氧化物靶材及其氧化物薄膜的方法,第三种氧化物为2.5份的氧化镓。
其余同实施例2。
实施例6:
一种制备新型缓冲层氧化物靶材及其氧化物薄膜的方法,第三种氧化物为5.0份的氧化镓。
其余同实施例3。
实施例7:
一种制备新型缓冲层氧化物靶材及其氧化物薄膜的方法,第三种氧化物为0.01份的氧化硅。
其余同实施例1。
实施例8:
一种制备新型缓冲层氧化物靶材及其氧化物薄膜的方法,第三种氧化物为1.0份的氧化硅。
其余同实施例2。
实施例9:
一种制备新型缓冲层氧化物靶材及其氧化物薄膜的方法,第三种氧化物为2.0份的氧化硅。
其余同实施例3。
实施例10:
一种制备新型缓冲层氧化物靶材及其氧化物薄膜的方法,第三种氧化物为0.1份的氧化钛。
其余同实施例1。
实施例11:
一种制备新型缓冲层氧化物靶材及其氧化物薄膜的方法,第三种氧化物为1.0份的氧化钛。
其余同实施例2。
实施例12:
一种制备新型缓冲层氧化物靶材及其氧化物薄膜的方法,第三种氧化物为2.0份氧化钛。
其余同实施例3。
实施例13:
一种制备新型缓冲层氧化物靶材及其氧化物薄膜的方法,第三种氧化物为0.1份的氧化钇。
其余同实施例1。
实施例14:
一种制备新型缓冲层氧化物靶材及其氧化物薄膜的方法,第三种氧化物为1.0份的氧化钇。
其余同实施例2。
实施例15:
一种制备新型缓冲层氧化物靶材及其氧化物薄膜的方法,第三种氧化物为2.0份的氧化钇。
其余同实施例3。
实施例16:
一种制备新型缓冲层氧化物靶材的方法,下列物质的重量用重量份数表示:将100份氧化锌中添加0.8份的氧化镁和第三种氧化物,再加68份的氧化锆球、30份的纯水及2份的分散剂, 将上述材料研磨充分混合,研磨时间8小时,形成浆料,然后将浆料灌入三寸的多孔性模具中,经过24小时的干燥后,脱膜形成胚体,然后经过1600度的高温6小时烧结,即能形成溅镀用缓冲层氧化物靶材胚体,经切割与表面研磨成三寸缓冲层氧化物靶材。
第三种氧化物为5.5份的氧化铝。
其中分散剂为质量分数为0.3%聚丙烯酸钠水溶液。
一种制备新型缓冲层氧化物薄膜的方法,将上述制得的缓冲层氧化物靶材先以DC电源溅镀第一层500nm厚的Mo薄膜,然后共蒸镀制造第二层2000nm厚的CIGS吸收层薄膜,最后以水浴法镀制第三层100nm 厚的CdS薄膜,以真空抽气系统将溅镀腔体背景压力抽至0.69×10-5 torr后,利用氩气当作工作气体,透过节流阀将通入氩气控制溅镀腔体的工作压力为2×10-3torr,用功率250瓦的RF电源进行溅镀制程,制得薄膜厚度为95nm的透明缓冲层氧化物薄膜。
实施例17:
一种制备新型缓冲层氧化物靶材的方法,下列物质的重量用重量份数表示:将100份氧化锌中添加11.0份的氧化镁和第三种氧化物,再加68份的氧化锆球、30份的纯水及2份的分散剂, 将上述材料研磨充分混合,研磨时间15小时,形成浆料,然后将浆料灌入三寸的多孔性模具中,经过24小时的干燥后,脱膜形成胚体,然后经过1300度的高温6小时烧结,即能形成溅镀用缓冲层氧化物靶材胚体,经切割与表面研磨成三寸缓冲层氧化物靶材。
第三种氧化物为0.08份的氧化镓。
其中分散剂为质量分数为2.3%聚丙烯酸钠水溶液。
一种制备新型缓冲层氧化物薄膜的方法,将上述制得的缓冲层氧化物靶材先以DC电源溅镀第一层500nm厚的Mo薄膜,然后共蒸镀制造第二层2000nm厚的CIGS吸收层薄膜,最后以水浴法镀制第三层100nm 厚的CdS薄膜,以真空抽气系统将溅镀腔体背景压力抽至1.0×10-5 torr后,利用氩气当作工作气体,透过节流阀将通入氩气控制溅镀腔体的工作压力为2×10-3torr,用功率250瓦的RF电源进行溅镀制程,制得薄膜厚度为105nm的透明缓冲层氧化物薄膜。
实施例18:
一种制备新型缓冲层氧化物靶材的方法,下列物质的重量用重量份数表示:将100份氧化锌中添加0.8份的氧化镁和第三种氧化物,再加68份的氧化锆球、30份的纯水及2份的分散剂, 将上述材料研磨充分混合,研磨时间8小时,形成浆料,然后将浆料灌入三寸的多孔性模具中,经过24小时的干燥后,脱膜形成胚体,然后经过1320度的高温6小时烧结,即能形成溅镀用缓冲层氧化物靶材胚体,经切割与表面研磨成三寸缓冲层氧化物靶材。
第三种氧化物为0.008份的氧化硅。
其中分散剂为质量分数为1.0%聚丙烯酸钠水溶液。
一种制备新型缓冲层氧化物薄膜的方法,将上述制得的缓冲层氧化物靶材先以DC电源溅镀第一层500nm厚的Mo薄膜,然后共蒸镀制造第二层2000nm厚的CIGS吸收层薄膜,最后以水浴法镀制第三层100nm 厚的CdS薄膜,以真空抽气系统将溅镀腔体背景压力抽至0.5×10-5 torr后,利用氩气当作工作气体,透过节流阀将通入氩气控制溅镀腔体的工作压力为2×10-3torr,用功率250瓦的RF电源进行溅镀制程,制得薄膜厚度为98nm的透明缓冲层氧化物薄膜。
实施例19:
一种制备新型缓冲层氧化物靶材的方法,下列物质的重量用重量份数表示:将100份氧化锌中添加10.5份的氧化镁和第三种氧化物,再加68份的氧化锆球、30份的纯水及2份的分散剂, 将上述材料研磨充分混合,研磨时间16小时,形成浆料,然后将浆料灌入三寸的多孔性模具中,经过24小时的干燥后,脱膜形成胚体,然后经过1580度的高温6小时烧结,即能形成溅镀用缓冲层氧化物靶材胚体,经切割与表面研磨成三寸缓冲层氧化物靶材。
第三种氧化物为2.5份的氧化钛。
其中分散剂为质量分数为0.4%聚丙烯酸钠水溶液。
一种制备新型缓冲层氧化物薄膜的方法,将上述制得的缓冲层氧化物靶材先以DC电源溅镀第一层500nm厚的Mo薄膜,然后共蒸镀制造第二层2000nm厚的CIGS吸收层薄膜,最后以水浴法镀制第三层100nm 厚的CdS薄膜,以真空抽气系统将溅镀腔体背景压力抽至0.95×10-5 torr后,利用氩气当作工作气体,透过节流阀将通入氩气控制溅镀腔体的工作压力为2×10-3torr,用功率250瓦的RF电源进行溅镀制程,制得薄膜厚度为102nm的透明缓冲层氧化物薄膜。
实施例20:
一种制备新型缓冲层氧化物靶材的方法,下列物质的重量用重量份数表示:将100份氧化锌中添加0.7份的氧化镁和第三种氧化物,再加68份的氧化锆球、30份的纯水及2份的分散剂, 将上述材料研磨充分混合,研磨时间9.5小时,形成浆料,然后将浆料灌入三寸的多孔性模具中,经过24小时的干燥后,脱膜形成胚体,然后经过1310度的高温6小时烧结,即能形成溅镀用缓冲层氧化物靶材胚体,经切割与表面研磨成三寸缓冲层氧化物靶材。
第三种氧化物为0.09份的氧化钇。
其中分散剂为质量分数为2.5%聚丙烯酸钠水溶液。
一种制备新型缓冲层氧化物薄膜的方法,将上述制得的缓冲层氧化物靶材先以DC电源溅镀第一层500nm厚的Mo薄膜,然后共蒸镀制造第二层2000nm厚的CIGS吸收层薄膜,最后以水浴法镀制第三层100nm 厚的CdS薄膜,以真空抽气系统将溅镀腔体背景压力抽至0.55×10-5 torr后,利用氩气当作工作气体,透过节流阀将通入氩气控制溅镀腔体的工作压力为2×10-3torr,用功率250瓦的RF电源进行溅镀制程,制得薄膜厚度为107nm的透明缓冲层氧化物薄膜。
对比例1:
现有技术中制备缓冲层氧化锌靶材的方法,将纯氧化锌,使用热压法制作直径3寸的靶材。接着把所需镀着玻璃基材放入溅镀腔体中,利用溅镀及共蒸镀的方式,完成500nm厚的Mo薄膜,2000nm的CIGS薄膜,100nm的缓冲层氧化锌的薄膜及600nm的AZO薄膜,形成CIGS薄膜电池,并经转换效率测试。
实施例1-20和对比例1制得的透明导电氧化物薄膜的性能如下表所示:
从上表结果可以看出,采用本发明制备工艺的实施例1-15得到的制备新型缓冲层氧化物靶材及其氧化物薄膜的性能中,转换效率、缓冲层薄膜表面粗糙度、靶材密度明显优于在工艺范围外的实施例16-20和现有技术中制备缓冲层氧化锌靶材的对比例1,可见本发明的注浆成型的方式和添加第三种氧化物的工艺,提高了靶材密度,降低了缓冲层薄膜表面粗糙度,同时能够获得高转换效率的CIGS电池,满足了生产的需要。