CN106229383A - 一种镓元素均匀分布的铜铟镓硒薄膜太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

一种镓元素均匀分布的铜铟镓硒薄膜太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种镓元素均匀分布的铜铟镓硒薄膜太阳能电池及其制备方法。该方法通过在硒化反应过程中引入等离子强化硒化刻蚀复合技术，利用等离子提高硒蒸汽活性的同时，也利用等离子对合金预制层进行刻蚀，去除了合金预制层中多余的铟，增大了合金预制层的表面积以利于活化硒蒸汽更好的扩散渗入，使得活化硒蒸汽与铜、铟和镓元素反应更充分，从而实现镓元素在薄膜中分布均匀。本发明制备的铜铟镓硒薄膜其成分中各元素特别是镓元素分布均匀；制备的铜铟镓硒薄膜太阳能电池转换效率大大提高。

Description

一种镓元素均匀分布的铜铟镓硒薄膜太阳能电池及其制备 方法
技术领域
本发明涉及铜铟镓硒薄膜太阳能电池技术领域，尤其涉及一种镓元素均匀分布的铜铟镓硒薄膜太阳能电池及其制备方法。
背景技术
在所有的薄膜太阳能电池中，铜铟镓硒(Cu(In,Ga)Se2，CIGS)薄膜太阳能电池被认为是最具有发展前景的太阳能电池。其可见光吸收系数高（105cm-1）、带隙可调（1.04~1.67eV）、光电转换效率高、稳定好以及抗辐射性能强，目前最高转换效率已达22.6%。
铜铟镓硒薄膜，是通过在铜铟硒薄膜中有效掺杂适量的金属镓来替代部分金属铟，从而制备出铜铟镓硒薄膜。真空法和非真空法是目前制备CIGS薄膜太阳能电池的两大方法。真空法如共蒸发法和溅射后硒化法制备的CIGS薄膜质量和电池效率虽然都优于非真空法，但真空制备条件要求高，设备成本投入很高，主要以实验室研究为主。而非真空法以其设备投入成本低、制备条件相对简单和材料利用率高等优势被视为降低CIGS薄膜太阳能电池制造成本的有效途径之一。
非真空法中以电沉积法为主，可分为一步电沉积法和分步电沉积后硒化法。一步电沉积法虽然可以一次性制备出CIGS薄膜，但其电镀溶液稳定性差，易变质。而分步电沉积后硒化法制备的CIGS薄膜成分轻易可控，且其溶液稳定性高，更适合大规模生产。
然而，在利用分步电沉积后硒化法制备CIGS薄膜的过程中，存在着镓元素掺入困难或是其在CIGS薄膜中分布不均的问题。其中，镓元素在CIGS薄膜中分布不均是由于金属铟和镓在热力学性能以及扩散能力上的差异，使得金属镓在高温硒化过程中易聚集在背电极附近，导致CIGS薄膜表面贫镓、底部富镓，严重时会造成薄膜中出现铜铟硒（CIS）和铜镓硒（CGS）两相分离现象。镓的分布不均，将直接影响CIGS薄膜的带隙，弱化了电池转换效率。
发明内容
本发明针对当前分步电沉积后硒化法制备的铜铟镓硒薄膜中镓元素分布不均而导致铜铟镓硒薄膜表面贫镓、底部富镓，甚至造成薄膜中出现铜铟硒（CIS）和铜镓硒（CGS）两相分离的问题，提供一种镓元素分布均匀的铜铟镓硒薄膜太阳能电池制备方法。该方法通过在硒化反应过程中引入等离子强化硒化刻蚀复合技术，利用等离子提高硒蒸汽活性的同时，也利用等离子对合金预制层进行刻蚀，去除了合金预制层中多余的铟，增大了合金预制层的表面积以利于活化硒蒸汽更好的扩散渗入，使得活化硒蒸汽与铜、铟和镓元素反应更充分，从而实现镓元素在薄膜中分布均匀。
一种镓元素均匀分布的铜铟镓硒薄膜太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：在衬底上依次制备钼背电极、吸收层、缓冲层、本征氧化锌层、掺铝氧化锌层和上电极，得到所述镓元素均匀分布的铜铟镓硒薄膜太阳能电池。
进一步地，所述吸收层的制备包括如下步骤：
（1）在溅射有钼背电极的衬底上依次电沉积铜层、铟层和镓层；
（2）将依次沉积有钼背电极、铜层、铟层和镓层的衬底置于真空中进行热退火处理，以促进铜铟镓三种元素相互扩散和反应，形成铜铟镓合金预制层；
（3）将制得的铜铟镓合金预制层置于硒化炉中进行硒化反应，在硒化反应过程中，引入等离子强化硒化刻蚀复合技术，制备得到镓元素均匀分布的铜铟镓硒薄膜吸收层。
更进一步地，所述衬底为钠钙玻璃。
更进一步地，步骤（1）中所述铜层采用脉冲直流电沉积，脉冲直流电频率为3000～5000Hz，占空比为5～15%，电流密度为55～60mA/cm2，沉积时间为11～13s。
更进一步地，步骤（1）中所述铟层采用脉冲直流电沉积，频率为3000～5000Hz，占空比为20～30%，电流密度为10～15mA/cm2，时间为100～120s。
更进一步地，步骤（1）中所述镓层采用直流电沉积，电流密度为210～235mA/cm2，时间为15～17s。
更进一步地，步骤（2）中所述热退火处理的温度为150～250℃，时间为30～60min。
更进一步地，步骤（3）中所述硒化反应的反应温度为530~550℃，反应时间为30~40min，硒源温度为240~260℃。
更进一步地，步骤（3）中所述等离子强化硒化刻蚀是在硒化反应过程中引入等离子，利用等离子提高硒蒸汽活性的同时，也利用等离子对合金预制层进行刻蚀，使得活化硒蒸汽与铜、铟和镓元素反应更充分；所述等离子为氩等离子；所述等离子的产生过程采用了射频电源，功率为30～50W。
由上述任一项所述制备方法制得的一种镓元素均匀分布的铜铟镓硒薄膜太阳能电池。
与现有技术相比，本发明具有如下的优点及效果：
（1）本发明在硒化反应过程中引入等离子强化硒化刻蚀复合技术，可以大大提高硒蒸汽的活性，有利于硒蒸汽与合金预制层中的铜、铟、镓元素充分反应。
（2）利用等离子强化硒化刻蚀复合技术对合金预制层进行刻蚀，去除了合金预制层中多余金属铟的同时，也增大了合金预制层的表面积，有利于活化硒蒸汽的扩散渗入。
（3）本发明制备所得铜铟镓硒薄膜，其成分中各元素，特别是镓元素分布均匀；制备的铜铟镓硒薄膜太阳能电池转换效率大大提高，转化率达到8.27%~8.62%。
附图说明
图1为本发明促进镓元素均匀分布的等离子强化硒化刻蚀复合技术的反应示意图。
图2为普通硒化制备的铜铟镓硒薄膜中各元素的深度分布图。
图3为本发明制备的铜铟镓硒薄膜中各元素的深度分布图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
图1为本发明促进镓元素均匀分布的等离子强化硒化刻蚀复合技术的反应示意图，包括结构：样品托架101、样品加热台102、合金预制层样品103、氩等离子104、分流板105、坩埚106、坩埚加热器107、硒颗粒108、硒蒸汽109、活化硒蒸汽110、抽气系统111、进气系统112、硒化炉腔113。
图1所示等离子强化硒化刻蚀复合技术的工作原理为：氩气通过进气系统112，流入硒化炉腔113中作为诱导气体以产生氩等离子104。在硒化反应过程中，坩埚106中的硒颗粒108被坩埚加热器107加热变成硒蒸汽109，流出分流板105后进入氩等离子区域，被氩等离子104进一步裂解形成反应活性更高的活化硒蒸汽110；该活化硒蒸汽110与放置在样品托架101上的被样品加热台102加热的合金预制层样品103反应，在反应过程中，氩等离子104也对合金预制层样品103进行刻蚀，去除了合金预制层中多余金属铟的同时，也增大了合金预制层的表面积，有利于活化硒蒸汽的扩散渗入；与此同时，抽气系统111也将反应废气抽出硒化炉。反应结束后获得镓元素均匀分布的铜铟镓硒薄膜。
实施例1
（1）用半导体清洗剂对钠钙玻璃表面进行清洗，然后用去离子水浸泡并超声清洗30min，前后各2次，拿出后再用去离子水冲洗，最后用氮气吹干；
（2）将清洗好的钠钙玻璃置于2×10-4Pa真空腔室中，采用溅射的方法溅射钼背电极，厚度为730nm；
（3）在溅射有钼背电极的钠钙玻璃上，利用脉冲直流方法电沉积铜层，脉冲频率为3000Hz，占空比为5%，电流密度为55mA/cm2，时间为13s，所用溶液体系为含有CuSO4和H2SO4的混合溶液（混合溶液中CuSO4的浓度为0.75mol/L，H2SO4的浓度为0.765mol/L）；
（4）在步骤（3）所得的铜层上，利用脉冲直流方法电沉积铟层，脉冲频率为3000Hz，占空比为20%，电流密度为10mA/cm2，时间为120s，所用溶液体系为含有InCl3的混合溶液（混合溶液中InCl3的浓度为0.106mol/L）；
（5）在步骤（4）所得的铟层上，利用直流方法电沉积镓层，电流密度为210mA/cm2，时间为17s，所用溶液为含有GaCl3的混合溶液（混合溶液中GaCl3的浓度为0.106mol/L）；
（6）将步骤（5）所得带有钼背电极、铜层、铟层和镓层的钠钙玻璃置于5×10-4Pa的真空环境中进行热退火处理，退火温度为150℃，时间为60min，使得铜铟镓三种元素相互扩散和反应，得到铜铟镓合金预制层；
（7）将步骤（6）所得带有钼背电极和铜铟镓合金预制层的钠钙玻璃置于硒化炉中进行硒化反应，反应温度为550℃，反应时间为30 min，硒源温度为240℃，得到镓元素分布不均匀的铜铟镓硒薄膜吸收层；得到的镓元素分布不均匀的铜铟镓硒薄膜中各元素的深度分布图如图2所示，由图2可知，镓元素主要聚集在薄膜底部，而薄膜表面镓含量很低；
（8）采用化学水浴法在上述得到的铜铟镓硒吸收层上制备CdS缓冲层，厚度为50nm；
（9）采用射频溅射的方法在上述CdS缓冲层上依次溅射90nm的高阻本征氧化锌（ZnO）和600 nm掺铝氧化锌(AZO）；
（10）采用丝网印刷技术在上述掺铝氧化锌（AZO）上制备银电极，得到镓元素分布不均匀的铜铟镓硒薄膜太阳能电池，其转换效率为4.82%。
实施例2
（1）用半导体清洗剂对钠钙玻璃表面进行清洗，然后用去离子水浸泡并超声清洗30min，前后各2次，拿出后再用去离子水冲洗，最后用氮气吹干；
（2）将清洗好的钠钙玻璃置于2×10-4Pa真空腔室中，采用溅射的方法溅射钼背电极，厚度为730nm；
（3）在溅射有钼背电极的钠钙玻璃上，利用脉冲直流方法电沉积铜层，脉冲频率为3000Hz，占空比为5%，电流密度为55mA/cm2，时间为13s，所用溶液体系为含有CuSO4和H2SO4的混合溶液（混合溶液中CuSO4的浓度为0.75mol/L，H2SO4的浓度为0.765mol/L）；
（4）在步骤（3）所得的铜层上，利用脉冲直流方法电沉积铟层，脉冲频率为3000Hz，占空比为20%，电流密度为10mA/cm2，时间为120s，所用溶液体系为含有InCl3的混合溶液（混合溶液中InCl3的浓度为0.106mol/L）；
（5）在步骤（4）所得的铟层上，利用直流方法电沉积镓层，电流密度为210mA/cm2，时间为17s，所用溶液为含有GaCl3的混合溶液（混合溶液中GaCl3的浓度为0.106mol/L）；
（6）将步骤（5）所得带有钼背电极、铜层、铟层和镓层的钠钙玻璃置于5×10-4Pa的真空环境中进行热退火处理，退火温度为150℃，时间为60min，使得铜铟镓三种元素相互扩散和反应，得到铜铟镓合金预制层；
（7）将步骤（6）所得带有钼背电极和铜铟镓合金预制层的钠钙玻璃置于硒化炉中进行硒化反应，同时引入采用功率为50W的射频电流产生的氩等离子，反应温度为550℃，反应时间为30 min，硒源温度为240℃，得到镓元素分布均匀的铜铟镓硒薄膜吸收层；得到的镓元素分布均匀的铜铟镓硒薄膜中各元素的深度分布图如图3所示，由图3可知，该铜铟镓硒薄膜中镓元素分布均匀；
（8）采用化学水浴法在上述得到的铜铟镓硒吸收层上制备CdS缓冲层，厚度为50nm；
（9）采用射频溅射的方法在上述CdS缓冲层上依次溅射90nm的高阻本征氧化锌（ZnO）和600 nm掺铝氧化锌(AZO）；
（10）采用丝网印刷技术在上述掺铝氧化锌（AZO）上制备银电极，得到镓元素均匀分布的铜铟镓硒薄膜太阳能电池，其转换效率为8.27%。
实施例3
（1）用半导体清洗剂对钠钙玻璃表面进行清洗，然后用去离子水浸泡并超声清洗30min，前后各2次，拿出后再用去离子水冲洗，最后用氮气吹干；
（2）将清洗好的钠钙玻璃置于2×10-4Pa真空腔室中，采用溅射的方法溅射钼背电极，厚度为730nm；
（3）在溅射有钼背电极的钠钙玻璃上，利用脉冲直流方法电沉积铜层，脉冲频率为4000Hz，占空比为10%，电流密度为57.5mA/cm2，时间为12s，所用溶液体系为含有CuSO4和H2SO4的混合溶液（混合溶液中CuSO4的浓度为0.75mol/L，H2SO4的浓度为0.765mol/L）；
（4）在步骤（3）所得的铜层上，利用脉冲直流方法电沉积铟层，脉冲频率为4000Hz，占空比为25%，电流密度为12.5mA/cm2，时间为110s，所用溶液体系为含有InCl3的混合溶液（混合溶液中InCl3的浓度为0.106mol/L）；
（5）在步骤（4）所得的铟层上，利用直流方法电沉积镓层，电流密度为225mA/cm2，时间为16s，所用溶液为含有GaCl3的混合溶液（混合溶液中GaCl3的浓度为0.106mol/L）；
（6）将步骤（5）所得带有钼背电极、铜层、铟层和镓层的钠钙玻璃置于5×10-4Pa的真空环境中进行热退火处理，退火温度为200℃，时间为45min，使得铜铟镓三种元素相互扩散和反应，得到铜铟镓合金预制层；
（7）将步骤（6）所得带有钼背电极和铜铟镓合金预制层的钠钙玻璃置于硒化炉中进行硒化反应，同时引入采用功率为40W的射频电流产生的氩等离子，反应温度为540℃，反应时间为35 min，硒源温度为250℃，得到镓元素分布均匀的铜铟镓硒薄膜吸收层；得到的镓元素分布均匀的铜铟镓硒薄膜中各元素的深度分布图参见图3；
（8）采用化学水浴法在上述得到的铜铟镓硒吸收层上制备CdS缓冲层，厚度为50nm；
（9）采用射频溅射的方法在上述CdS缓冲层上依次溅射90nm的高阻本征氧化锌（ZnO）和600 nm掺铝氧化锌(AZO）；
（10）采用丝网印刷技术在上述掺铝氧化锌（AZO）上制备银电极，得到镓元素均匀分布的铜铟镓硒薄膜太阳能电池，其转换效率为8.45%。
实施例4
（1）用半导体清洗剂对钠钙玻璃表面进行清洗，然后用去离子水浸泡并超声清洗30min，前后各2次，拿出后再用去离子水冲洗，最后用氮气吹干；
（2）将清洗好的钠钙玻璃置于2×10-4Pa真空腔室中，采用溅射的方法溅射钼背电极，厚度为730nm；
（3）在溅射有钼背电极的钠钙玻璃上，利用脉冲直流方法电沉积铜层，脉冲频率为5000Hz，占空比为15%，电流密度为60mA/cm2，时间为11s，所用溶液体系为含有CuSO4和H2SO4的混合溶液（混合溶液中CuSO4的浓度为0.75mol/L，H2SO4的浓度为0.765mol/L）；
（4）在步骤（3）所得的铜层上，利用脉冲直流方法电沉积铟层，脉冲频率为5000Hz，占空比为30%，电流密度为15mA/cm2，时间为100s，所用溶液体系为含有InCl3的混合溶液（混合溶液中InCl3的浓度为0.106mol/L）；
（5）在步骤（4）所得的铟层上，利用直流方法电沉积镓层，电流密度为235mA/cm2，时间为15s，所用溶液为含有GaCl3的混合溶液（混合溶液中GaCl3的浓度为0.106mol/L）；
（6）将步骤（5）所得带有钼背电极、铜层、铟层和镓层的钠钙玻璃置于5×10-4Pa的真空环境中进行热退火处理，退火温度为250℃，时间为30min，使得铜铟镓三种元素相互扩散和反应，得到铜铟镓合金预制层；
（7）将步骤（6）所得带有钼背电极和铜铟镓合金预制层的钠钙玻璃置于硒化炉中进行硒化反应，同时引入采用功率为30W的射频电流产生的氩等离子，反应温度为530℃，反应时间为40 min，硒源温度为260℃，得到镓元素分布均匀的铜铟镓硒薄膜吸收层；得到的镓元素分布均匀的铜铟镓硒薄膜中各元素的深度分布图参见图3；
（8）采用化学水浴法在上述得到的铜铟镓硒吸收层上制备CdS缓冲层，厚度为50nm；
（9）采用射频溅射的方法在上述CdS缓冲层上依次溅射90nm的高阻本征氧化锌（ZnO）和600 nm掺铝氧化锌(AZO）；
（10）采用丝网印刷技术在上述掺铝氧化锌（AZO）上制备银电极，得到镓元素均匀分布的铜铟镓硒薄膜太阳能电池，其转换效率为8.62%。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种镓元素均匀分布的铜铟镓硒薄膜太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：在衬底上依次制备钼背电极、吸收层、缓冲层、本征氧化锌层、掺铝氧化锌层和上电极，得到所述镓元素均匀分布的铜铟镓硒薄膜太阳能电池。
2.根据权利要求1所述的一种镓元素均匀分布的铜铟镓硒薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述吸收层的制备包括如下步骤：
（1）在溅射有钼背电极的衬底上依次电沉积铜层、铟层和镓层；
（2）将依次沉积有钼背电极、铜层、铟层和镓层的衬底置于真空中进行热退火处理，形成铜铟镓合金预制层；
（3）将制得的铜铟镓合金预制层置于硒化炉中进行硒化反应，在硒化反应过程中，引入等离子强化硒化刻蚀复合技术，制备得到镓元素均匀分布的铜铟镓硒薄膜吸收层。
3.根据权利要求1或2所述的一种镓元素均匀分布的铜铟镓硒薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述衬底为钠钙玻璃。
4.根据权利要求2所述的一种镓元素均匀分布的铜铟镓硒薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述铜层采用脉冲直流电沉积，频率为3000～5000Hz，占空比为5～15%，电流密度为55～60mA/cm2，时间为11～13s。
5.根据权利要求2所述的一种镓元素均匀分布的铜铟镓硒薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述铟层采用脉冲直流电沉积，频率为3000～5000Hz，占空比为20～30%，电流密度为10～15mA/cm2，时间为100～120s。
6.根据权利要求2所述的一种镓元素均匀分布的铜铟镓硒薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述镓层采用直流电沉积，电流密度为210～235mA/cm2，时间为15～17s。
7.根据权利要求2所述的一种镓元素均匀分布的铜铟镓硒薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述热退火处理的温度为150～250℃，时间为30～60min。
8.根据权利要求2所述的一种镓元素均匀分布的铜铟镓硒薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤（3）中所述硒化反应的反应温度为530~550℃，反应时间为30~40min，硒源温度为240~260℃。
9.根据权利要求2所述的一种镓元素均匀分布的铜铟镓硒薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述等离子强化硒化刻蚀是在硒化反应过程中引入等离子，利用等离子提高硒蒸汽活性的同时，也利用等离子对合金预制层进行刻蚀；所述等离子为氩等离子；所述等离子的产生过程采用了射频电源，功率为30～50W。
10.由权利要求1~9任一项所述制备方法制得的一种镓元素均匀分布的铜铟镓硒薄膜太阳能电池。
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