CN105118872A - 一种低温制备高效柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低温制备高效柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池的方法，包括如下步骤：步骤一、通过直流磁控溅射沉积系统在柔性衬底上沉积厚度范围为500nm至700nm的Mo作为背电极，其中：Mo为双层结构，高阻Mo层的厚度范围为100nm至150nm；在高阻Mo层上再沉积厚度范围为400nm至550nm的低阻Mo层，作为电池的背电极；步骤二、利用电子束蒸发设备，采用0.1kw的电子束蒸发功率，50分钟的时间，在Mo背电极上蒸发一层12nm厚的锑薄膜；步骤三、在上述锑薄膜上采用共蒸发方法制备铜铟镓硒吸收层；步骤四、在上述铜铟镓硒吸收层上制备铜铟镓硒薄膜太阳电池。

Description

一种低温制备高效柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池的方法
技术领域
本发明涉及高效铜铟镓硒薄膜太阳电池制备技术领域，特别是涉及一种低温制备高效柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池的方法。
背景技术
21世纪人类面临的最大课题是不仅有能源问题，还有环境问题，利用太阳能来解决全球性的能源和环境问题越来越受到人们的重视，各种太阳电池应运而生。在能源日益短缺与过度使用矿石燃料而造成全球暖化的危机中，太阳能光伏发电已成为各国优先考虑发展的洁净能源。铜铟镓硒(铜铟镓硒)化合物太阳电池因转换效率高、弱光发电性能好、稳定性好、无衰减等优点而成为最有希望的光伏器件之一。
柔性衬底铜铟镓硒柔性薄膜太阳电池由于具有质量比功率高、可折叠、便于携带等诸多优点，现以成为国内外科研工作者持续关注的热点之一。铜铟镓硒薄膜太阳电池的制备方法也日趋成熟，其中最为被广泛采用的就是共蒸发法制备铜铟镓硒薄膜吸收层，辅之以其它上下电极制备工艺，完成铜铟镓硒薄膜太阳电池的制备。关于共蒸发法制备铜铟镓硒薄膜太阳电池的专利有很多，如申请号为201210495682.9的专利申请材料就较为详细的描述了一种基于共蒸发法制备铜铟镓硒薄膜太阳电池的方法；申请号为201210535592.8的专利申请材料中所描述的铜铟镓硒薄膜太阳电池制备方法要求的制备铜铟镓硒薄膜的衬底温度在550-650℃；申请号为201310162449.3的专利申请材料所要求的铜铟镓硒薄膜太阳电池制备工艺中衬底温度也超过450℃。
需要特别注意的是，上述专利中，制备铜铟镓硒薄膜吸收层工艺，所需的衬底温度都在450℃左右，较高的衬底温度会对柔性衬底材料(聚酰亚胺、钛箔等)造成损伤，使衬底衬底失效变性，从而影响太阳电池的性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种低温制备高效柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池的方法，该方法的目的是在尽可能小的对柔性衬底材料造成损伤的基础上，制备得到高质量的铜铟镓硒吸收层薄膜，从而制备得到高效铜铟镓硒柔性薄膜太阳电池。。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：
一种低温制备高效柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池的方法，包括如下步骤：包括如下步骤：
步骤一、在柔性衬底上制作背电极；具体为：
通过直流磁控溅射沉积系统在柔性衬底上沉积厚度范围为500nm至700nm的Mo作为背电极，其中：Mo为双层结构，接近衬底的一层为高阻Mo层，上述高阻Mo层的厚度范围为100nm至150nm；在上述高阻Mo层上再沉积厚度范围为400nm至550nm的低阻Mo层，作为电池的背电极；
步骤二、在上述背电极上采用电子束蒸发的方法制备锑薄膜；具体为：
利用电子束蒸发设备，采用0.1kw的电子束蒸发功率，50分钟的时间，在制备好的Mo背电极上蒸发一层12nm厚的锑薄膜；
步骤三、在上述锑薄膜上采用共蒸发方法制备铜铟镓硒吸收层；具体为：
采用共蒸发三步法在背电极上制作铜铟镓硒吸收层，其中，上述三步法中的第一步衬底温度在250℃-300℃范围，第二步和第三步衬底温度在350℃-380℃范围内；
步骤四、在上述铜铟镓硒吸收层上制备铜铟镓硒薄膜太阳电池；具体为：
在铜铟镓硒薄膜上面自下至上依次制作缓冲层CdS层；i-ZnO层；透明窗口层；减反射层和栅线电极。
进一步：所述柔性衬底为聚酰亚胺衬底、钛箔衬底、不锈钢衬底中的一种。
进一步：所述高阻Mo层的厚度为100nm，所述低阻Mo层厚度为400nm。
进一步：所述高阻Mo层的厚度为150nm，所述低阻Mo层厚度为400nm。
进一步：所述高阻Mo层的厚度为100nm，所述低阻Mo层厚度为550nm。
进一步：所述高阻Mo层的厚度为150nm，所述低阻Mo层厚度为550nm。
进一步：所述第一步衬底温度为250℃，所述第二步和第三步衬底温度为350℃。
进一步：所述第一步衬底温度为250℃，所述第二步和第三步衬底温度为380℃。
进一步：所述第一步衬底温度为300℃，所述第二步和第三步衬底温度为380℃。
进一步：所述第一步衬底温度为300℃，所述第二步和第三步衬底温度为350℃。
本发明具有的优点和积极效果是：
本专利特别提出一种衬底温度400℃以下制备柔性衬底高效铜铟镓硒薄膜太阳电池的制备方法，在不损伤衬底材料的同时，制备得到高质量的铜铟镓硒吸收层，从而制备得到柔性高效铜铟镓硒薄膜太阳电池。本发明通过在以柔性材料为衬底的双层Mo背电极上利用电子束蒸发方法制备12nm厚的锑薄膜(元素符号为Sb)，由于锑原子在铜铟镓硒膜生长过程中会扩宽晶格，使得铜、铟、镓和硒四种原子可以在更低的温度下进行反应，长成具有良好结晶质量的晶体材料。在蒸发好的锑膜基础上，在380℃的衬底温度下，采用传统的共蒸发法工艺制备1.5-2.5μm厚铜铟镓硒薄膜，辅助以缓冲层、窗口层及上电极的制备，从而制备得到高效铜铟镓硒柔性薄膜太阳电池。
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，详细说明如下：
一种低温制备高效柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池的方法，包括如下步骤：包括如下步骤：
步骤一、在柔性衬底上制作背电极；具体为：
通过直流磁控溅射沉积系统在柔性衬底上沉积厚度范围为500nm至700nm的Mo作为背电极，其中：Mo为双层结构，接近衬底的一层为高阻Mo层，上述高阻Mo层的厚度范围为100nm至150nm；在上述高阻Mo(钼)层上再沉积厚度范围为400nm至550nm的低阻Mo层，作为电池的背电极；
步骤二、在上述背电极上采用电子束蒸发的方法制备锑薄膜；具体为：
利用电子束蒸发设备，采用0.1kw的电子束蒸发功率，50分钟的时间，在制备好的Mo背电极上蒸发一层12nm厚的锑薄膜；
步骤三、在上述锑薄膜上采用共蒸发方法制备铜铟镓硒吸收层；具体为：
采用共蒸发三步法在背电极上制作铜铟镓硒吸收层，其中，上述三步法中的第一步衬底温度在250℃-300℃范围，第二步和第三步衬底温度在350℃-380℃范围内；
步骤四、在上述铜铟镓硒吸收层上制备铜铟镓硒薄膜太阳电池；具体为：
在铜铟镓硒薄膜上面自下至上依次制作缓冲层CdS层；i-ZnO层；透明窗口层；减反射层和栅线电极。
在上述优选实施例中：所述柔性衬底为聚酰亚胺衬底、钛箔衬底、不锈钢衬底中的一种。各种衬底的具体实施例如下：
实施例一、
步骤101.在聚酰亚胺衬底上制作背电极
通过直流磁控溅射沉积系统在聚酰亚胺衬底上沉积厚度范围为500nm-700nm的Mo作为背电极，Mo为双层结构，接近衬底的为高阻Mo层，厚度范围为100nm-150nm，在高阻Mo层上再沉积400nm-550nm的低阻Mo层，作为电池的背电极；在本优选实施例中，Mo的厚度取500nm或700nm，高阻Mo层的厚度取100nm或150nm，低阻Mo层的厚度取400nm或550nm；
步骤2.在背电极上采用电子束蒸发的方法制备锑薄膜
利用电子束蒸发设备，采用0.1kw的电子束蒸发功率，50分钟的时间在制备好的Mo背电极上蒸发一层12nm厚的锑薄膜。
步骤3.在锑薄膜上采用共蒸发方法制备铜铟镓硒吸收层
采用传统的共蒸发三步法在背电极上制作铜铟镓硒吸收层，需要特别指出的是，三步法第一步衬底温度在250℃-300℃范围，而第二步和第三步衬底温度在350℃-380℃范围内即可。在本优选实施例中，第一步衬底温度取250℃或300℃，第二步和第三步衬底温度取350℃或380℃；
步骤4.按照传统工艺制备铜铟镓硒薄膜太阳电池
在铜铟镓硒薄膜上面自下至上依次制作缓冲层CdS层；i-ZnO层；透明窗口层；减反射层和栅线电极。
实施例2：
步骤1.在钛箔衬底(100微米)上制作背电极
通过直流磁控溅射沉积系统在钛箔衬底上沉积厚度为500nm-700nm的Mo作为背电极，Mo为双层结构，接近衬底的为高阻Mo层，厚度在100nm-150nm，在高阻Mo层上再沉积400nm-550nm的低阻Mo层，作为电池的背电极；在本优选实施例中，Mo的厚度取500nm或700nm，高阻Mo层的厚度取100nm或150nm，低阻Mo层的厚度取400nm或550nm；
步骤2.在背电极上采用电子束蒸发的方法制备锑薄膜
利用电子束蒸发设备，采用0.1kw的电子束蒸发功率，50分钟的时间，在制备好的Mo背电极上蒸发一层12nm厚的锑薄膜。
步骤3.在锑薄膜上采用共蒸发方法制备铜铟镓硒吸收层
采用传统的共蒸发三步法在背电极上制作铜铟镓硒吸收层，需要特别指出的是，三步法第一步衬底温度在250℃-300℃范围，而第二步和第三步衬底温度在350℃-380℃范围内即可。在本优选实施例中，第一步衬底温度取250℃或300℃，第二步和第三步衬底温度取350℃或380℃；
步骤4.按照传统工艺制备铜铟镓硒薄膜太阳电池
在铜铟镓硒薄膜上面自下至上依次制作缓冲层CdS；i-ZnO层；透明窗口层；减反射层和栅线电极。
实施例3：
步骤1.在不锈钢衬底(100微米)上制作背电极
通过直流磁控溅射沉积系统在不锈钢衬底上沉积厚度为500nm-700nm的Mo作为背电极，Mo为双层结构，接近衬底的为高阻Mo层，厚度在100nm-150nm，在高阻Mo层上再沉积400nm-550nm的低阻Mo层，作为电池的背电极；在本优选实施例中，Mo的厚度取500nm或700nm，高阻Mo层的厚度取100nm或150nm，低阻Mo层的厚度取400nm或550nm；
步骤2.在背电极上采用电子束蒸发的方法制备锑薄膜
利用电子束蒸发设备，采用0.1kw的电子束蒸发功率，50分钟的时间，在制备好的Mo背电极上蒸发一层12nm厚的锑薄膜。
步骤3.在锑薄膜上采用共蒸发方法制备铜铟镓硒吸收层
采用传统的共蒸发三步法在背电极上制作铜铟镓硒吸收层，需要特别指出的是，三步法第一步衬底温度在250℃-300℃范围，而第二步和第三步衬底温度在350℃-380℃范围内即可。在本优选实施例中，第一步衬底温度取250℃或300℃，第二步和第三步衬底温度取350℃或380℃；
步骤4.按照传统工艺制备铜铟镓硒薄膜太阳电池
在铜铟镓硒薄膜上面自下至上依次制作缓冲层CdS；i-ZnO层；透明窗口层；减反射层和栅线电极。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种低温制备高效柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、在柔性衬底上制作背电极；具体为：
通过直流磁控溅射沉积系统在柔性衬底上沉积厚度范围为500nm至700nm的Mo作为背电极，其中：Mo为双层结构，接近衬底的一层为高阻Mo层，上述高阻Mo层的厚度范围为100nm至150nm；在上述高阻Mo层上再沉积厚度范围为400nm至550nm的低阻Mo层，作为电池的背电极；
步骤二、在上述背电极上采用电子束蒸发的方法制备锑薄膜；具体为：
利用电子束蒸发设备，采用0.1kw的电子束蒸发功率，50分钟的时间，在制备好的Mo背电极上蒸发一层12nm厚的锑薄膜；
步骤三、在上述锑薄膜上采用共蒸发方法制备铜铟镓硒吸收层；具体为：
采用共蒸发三步法在背电极上制作铜铟镓硒吸收层，其中，上述三步法中的第一步衬底温度在250℃-300℃范围，第二步和第三步衬底温度在350℃-380℃范围内；
步骤四、在上述铜铟镓硒吸收层上制备铜铟镓硒薄膜太阳电池；具体为：
在铜铟镓硒薄膜上面自下至上依次制作缓冲层CdS层；i-ZnO层；透明窗口层；减反射层和栅线电极。
2.根据权利要求1所述的低温制备高效柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池的方法，其特征在于：所述柔性衬底为聚酰亚胺衬底、钛箔衬底、不锈钢衬底中的一种。
3.根据权利要求2所述的低温制备高效柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池的方法，其特征在于：所述高阻Mo层的厚度为100nm，所述低阻Mo层厚度为400nm。
4.根据权利要求2所述的低温制备高效柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池的方法，其特征在于：所述高阻Mo层的厚度为150nm，所述低阻Mo层厚度为400nm。
5.根据权利要求2所述的低温制备高效柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池的方法，其特征在于：所述高阻Mo层的厚度为100nm，所述低阻Mo层厚度为550nm。
6.根据权利要求2所述的低温制备高效柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池的方法，其特征在于：所述高阻Mo层的厚度为150nm，所述低阻Mo层厚度为550nm。
7.根据权利要求2-6任一项所述的低温制备高效柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池的方法，其特征在于：所述第一步衬底温度为250℃，所述第二步和第三步衬底温度为350℃。
8.根据权利要求2-6任一项所述的低温制备高效柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池的方法，其特征在于：所述第一步衬底温度为250℃，所述第二步和第三步衬底温度为380℃。
9.根据权利要求2-6任一项所述的低温制备高效柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池的方法，其特征在于：所述第一步衬底温度为300℃，所述第二步和第三步衬底温度为380℃。
10.根据权利要求2-6任一项所述的低温制备高效柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池的方法，其特征在于：所述第一步衬底温度为300℃，所述第二步和第三步衬底温度为350℃。
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