CN105789371A - 一种铜铟镓硒薄膜太阳电池掺钾元素的方法 - Google Patents

一种铜铟镓硒薄膜太阳电池掺钾元素的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种铜铟镓硒薄膜太阳电池掺钾元素的方法。本发明属于铜铟镓硒薄膜太阳电池技术领域。铜铟镓硒薄膜太阳电池掺钾元素的方法：步骤1.在衬底上制作背电极：在电池衬底上沉积Mo作为背电极；步骤2.在背电极上采用共蒸发方法制备铜铟镓硒吸收层：第一步衬底温度250-300℃，第二步和第三步衬底温度450-480℃范围；步骤3.铜铟镓硒吸收层薄膜进行掺钾元素处理：降低衬底温度到275-300℃范围内，同时对装有氟化钾元素的蒸发源加热，加热温度为670-700℃，蒸发9-11分钟；步骤4.制备铜铟镓硒薄膜太阳电池：制作缓冲层CdS；i-ZnO层；透明窗口层；减反射层和栅线电极。本发明具有工艺简单，通过提高电池的开路电压来最终提高铜铟镓硒薄膜太阳电池的光电转换效率等优点。

Description

一种铜铟镓硒薄膜太阳电池掺钾元素的方法
技术领域
本发明属于铜铟镓硒薄膜太阳电池技术领域，特别是涉及一种铜铟镓硒薄膜太阳电池掺钾元素的方法。
背景技术
目前，人类面临的最大课题不仅有能源问题，还有环境问题，为利用太阳能来解决全球性的能源和环境问题，各种太阳电池应运而生。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。
铜铟镓硒薄膜太阳电池的最高转换效率从2010年的14.7％迅速提高到21.7％，铜铟镓硒薄膜太阳电池的制备方法也日趋成熟，关于铜铟镓硒薄膜太阳电池制备的专利有很多，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真空方法制备铜铟镓硒薄膜太阳电池的方法。为了进一步提高电池光电转换效率，在制备铜铟镓硒薄膜电池吸收层材料过程中，利用各种方法进行金属钠元素的掺杂。申请号：201320544346.9和申请号：201320544968.1的专利申请就是关于金属钠元素进行掺杂的方法介绍。当然，也有人较为笼统的提出了碱金属掺杂方法，如申请号：201210189541.4的专利材料，认为金属钠以及和其同族的碱金属都在铜铟镓硒薄膜太阳电池中的作用机理相同，掺杂方法也相同。但现有的方法存在降低电池性能、光电转换效率低等技术问题。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种铜铟镓硒薄膜太阳电池掺钾元素的方法。
本发明的目的是提供一种工艺简单、操作方便、安全稳定，通过提高电池的开路电压来最终提高铜铟镓硒薄膜太阳电池的光电转换效率等特点的铜铟镓硒薄膜太阳电池掺钾元素的方法。
铜铟镓硒薄膜太阳电池掺钾元素的工艺步骤：
步骤1.在衬底上制作背电极
通过直流磁控溅射沉积系统在电池衬底上沉积与厚度为500-700nm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100-150nm，在高阻Mo层上再沉积400-550nm的低阻Mo层，作为电池的背电极；
步骤2.在背电极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450-480℃范围内，三步法制备铜铟镓硒薄膜具体制备过程如图1所示。
步骤3.对制备好的铜铟镓硒吸收层薄膜进行掺钾元素处理
三步法制备铜铟镓硒吸收层工艺结束后，不关闭硒蒸发源，关闭其他金属蒸发源，降低衬底温度到275-300℃范围内，同时对装有氟化钾(KF)元素的蒸发源加热，加热温度设为670-700℃范围，待衬底温度稳定在设定范围，氟化钾蒸发源温度也稳定后，蒸发10分钟，然后，开始降温。
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。
本发明提出：在铜铟镓硒薄膜太阳电池中掺入碱金属族的一种元素钾有着与另一碱金属族元素钠不同的作用机理和掺入方法。钠元素作用于铜铟镓硒吸收层内部，故钠掺杂环境温度较高，掺杂过程尽量接近于铜铟镓硒薄膜的制备过程，而钾元素作用于薄膜表面(铜铟镓硒层于缓冲层界面)，不能进入铜铟镓硒薄膜内部，进入内部会形成深能级缺陷，大大降低电池性能，故钾元素的掺杂环境温度较低，在完成铜铟镓硒薄膜制备后的一段时间内进行为宜。
本发明铜铟镓硒薄膜太阳电池掺钾元素的方法采用的技术方案：
一种铜铟镓硒薄膜太阳电池掺钾元素的方法，其特点是：铜铟镓硒薄膜太阳电池掺钾元素的方法包括以下工艺过程：
步骤1.在衬底上制作背电极
通过直流磁控溅射沉积系统在电池衬底上沉积与厚度为500-700nm的Mo作为背电极；
步骤2.在背电极上采用共蒸发方法制备铜铟镓硒吸收层
采用共蒸发三步法在背电极上制作铜铟镓硒吸收层，第一步衬底温度250-300℃，第二步和第三步衬底温度450-480℃范围；
步骤3.铜铟镓硒吸收层薄膜进行掺钾元素处理
三步法制备铜铟镓硒吸收层工艺结束后，不关闭硒蒸发源，关闭其他金属蒸发源，降低衬底温度到275-300℃范围内，同时对装有氟化钾元素的蒸发源加热，加热温度为670-700℃，蒸发9-11分钟；
步骤4.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。
本发明铜铟镓硒薄膜太阳电池掺钾元素的方法还可以采用如下技术方案：
所述的铜铟镓硒薄膜太阳电池掺钾元素的方法，其特点是：Mo背电极为双层结构，接近衬底的为高阻Mo层，厚度100-150nm，在高阻Mo层上再沉积400-550nm的低阻Mo层。
本发明具有的优点和积极效果是：
铜铟镓硒薄膜太阳电池掺钾元素的方法由于采用了本发明全新的技术方案，与现有技术相比，本发明通过在双层Mo背电极上利用共蒸发方法制备的1.5-2.5μm厚铜铟镓硒薄膜基础上，降低衬底温度，调整合适的氟化钾蒸发源温度，利用蒸发的方法在铜铟镓硒薄膜吸收层中进行合适的钾元素掺杂，辅助以缓冲层、窗口层及上电极的制备，掺杂的钾元素可以有效抑制光生载流子的复合，提升电池开路电压，从而提高电池的光电转换效率。
附图说明
图1是本发明基于三步法制备掺钾铜铟镓硒薄膜太阳电池示意图。
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：
参阅附图1。
实施例1
一种铜铟镓硒薄膜太阳电池掺钾元素的方法，包括以下工艺过程：
步骤1.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与厚度为500-700nm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100-150nm，在高阻Mo层上再沉积400-550nm的低阻Mo层，作为电池的背电极；
步骤2.在背电极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450-480℃范围内，三步法制备铜铟镓硒薄膜具体制备过程如图1所示。
步骤3.对制备好的铜铟镓硒吸收层薄膜进行掺钾元素处理
三步法制备铜铟镓硒吸收层工艺结束后，不关闭硒蒸发源，关闭其他金属蒸发源，降低衬底温度到275-300℃范围内，同时对装有氟化钾(KF)元素的蒸发源加热，加热温度设为670-700℃范围，待衬底温度稳定在设定范围，氟化钾蒸发源温度也稳定后，蒸发10分钟，然后，开始降温。
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2
一种铜铟镓硒薄膜太阳电池掺钾元素的方法，包括以下工艺过程：
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与厚度为500-700nm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100-150nm，在高阻Mo层上再沉积400-550nm的低阻Mo层，作为电池的背电极；
步骤2.在背电极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450-480℃范围内，三步法制备铜铟镓硒薄膜具体制备过程如图1所示。
步骤3.对制备好的铜铟镓硒吸收层薄膜进行掺钾元素处理
三步法制备铜铟镓硒吸收层工艺结束后，不关闭硒蒸发源，关闭其他金属蒸发源，降低衬底温度到275-300℃范围内，同时对装有氟化钾(KF)元素的蒸发源加热，加热温度设为670-700℃范围，待衬底温度稳定在设定范围，氟化钾蒸发源温度也稳定后，蒸发10分钟，然后，开始降温。
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
一种铜铟镓硒薄膜太阳电池掺钾元素的方法，包括以下工艺过程：
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与厚度为500-700nm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100-150nm，在高阻Mo层上再沉积400-550nm的低阻Mo层，作为电池的背电极；
步骤2.在背电极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450-480℃范围内，三步法制备铜铟镓硒薄膜具体制备过程如图1所示。
步骤3.对制备好的铜铟镓硒吸收层薄膜进行掺钾元素处理
三步法制备铜铟镓硒吸收层工艺结束后，不关闭硒蒸发源，关闭其他金属蒸发源，降低衬底温度到275-300℃范围内，同时对装有氟化钾(KF)元素的蒸发源加热，加热温度设为670-700℃范围，待衬底温度稳定在设定范围，氟化钾蒸发源温度也稳定后，蒸发10分钟，然后，开始降温。
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。
本实施例具有所述的工艺简单、操作方便、安全稳定，通过提高电池的开路电压来最终提高铜铟镓硒薄膜太阳电池的光电转换效率等积极效果。

Claims (2)

1.一种铜铟镓硒薄膜太阳电池掺钾元素的方法，其特征是：铜铟镓硒薄膜太阳电池掺钾元素的方法包括以下工艺过程：
步骤1.在衬底上制作背电极
通过直流磁控溅射沉积系统在电池衬底上沉积与厚度为500-700nm的Mo作为背电极；
步骤2.在背电极上采用共蒸发方法制备铜铟镓硒吸收层
采用共蒸发三步法在背电极上制作铜铟镓硒吸收层，第一步衬底温度250-300℃，第二步和第三步衬底温度450-480℃范围；
步骤3.铜铟镓硒吸收层薄膜进行掺钾元素处理
三步法制备铜铟镓硒吸收层工艺结束后，不关闭硒蒸发源，关闭其他金属蒸发源，降低衬底温度到275-300℃范围内，同时对装有氟化钾元素的蒸发源加热，加热温度为670-700℃，蒸发9-11分钟；
步骤4.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。
2.根据权利要求1所述的铜铟镓硒薄膜太阳电池掺钾元素的方法，其特征是：Mo背电极为双层结构，接近衬底的为高阻Mo层，厚度100-150nm，在高阻Mo层上再沉积400-550nm的低阻Mo层。
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