CN107452818A - 一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池背电极及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池背电极，包括由下至上依次设置的衬底、金属导电层、阻挡层、Na合金层与外保护导电层；所述阻挡层为过渡金属氮化物或氮氧化物；所述Na合金层由Na与另一种合金元素构成，Na合金层中的Na含量为2～10%摩尔比；Na合金层厚度为20～50nm；采用磁控溅射在衬底上依次沉积各个结构层即完成制备；Na合金层作为Na扩散源，为铜铟镓硒光吸收层提供晶体生长需要的Na，阻挡层能够阻止Na向衬底方向扩散，同时也阻止衬底中杂质向铜铟镓硒光吸收层扩散，实现Na的精准控制，另外，阻挡层也阻止了在沉积过程中硒元素向金属导电层的扩散，避免了硒和金属导电层之间的反应，确保金属导电层在铜铟镓硒光吸收层生成过程中的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜太阳能电池技术领域，具体是一种精确控制钠扩散的铜铟镓硒薄膜太阳能电池背电极及其制备方法。
背景技术
在现有的太阳能电池技术中，铜铟镓硒（简称CIGS） 薄膜太阳能电池具有光电转化率高、弱光性能好、成本低，既可以在硬质衬底，如玻璃上成膜做成刚性组件，又可以在柔性衬底上，如不锈钢、铝和耐高温高分子材料上做成柔性组件，最适合作为光伏建筑一体化（BIPV）使用等优点，受到了人们关注，是一种很有发展潜力的太阳能电池技术。
CIGS 薄膜太阳能电池的理论最高效率为33％，而现在实验室可以做到的最高效率才达到21.7％，还有很大的提高空间。CIGS薄膜太阳能电池制备方法很多，目前主流工艺有二种：一种是先在背电极/衬底基片上采用磁控溅射的方法沉积铜铟镓CIG金属预制层，然后采用预沉积硒或在硒化氢环境中快速升温热处理的方法进行硒化，形成CIGS吸收层；另一种是在高温背电极/衬底基片上采用磁控溅射或共蒸的方法同时沉积铜、铟、镓、硒四种元素，以生成CIGS吸收层薄膜。
在CIGS吸收层制备过程中，少量钠的存在有助于改善CIGS的晶体结构，进一步提高CIGS薄膜太阳能电池的光电转化率。当衬底基板是钠-钙玻璃时，在先沉积铜铟镓金属预制层后高温硒化过程中或CIGS四种元素高温共沉积过程中，玻璃中的钠扩散穿过背电极进入CIGS吸收层，但由于钠-钙玻璃中钠的含量较大，而且不同玻璃基板的钠含量的变化，导致扩散进入CIGS层的钠总量的不确定性，最终导致CIGS晶体结构的不确定，影响CIGS薄膜电池光电转化率，当衬底基板材料为不锈钢或耐高温高分子材料时，则需要外加Na扩散源，为了精确控制钠的数量以及外加Na扩散源， 研究人员通过在背电极表面沉积一定厚度的NaF的方法，建立Na扩散源以及控制钠的总量，但是在背电极表面沉积NaF作扩散源的方法容易造成对吸收层和背电极之间结合力的下降，对电池的后续处理造成影响，因此，在CIGS太阳能电池制备过程中Na的精确控制是制备高效CIGS薄膜太阳电池关键技术之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池背电极及其制备方法，能够同时确保背电极金属导电层和CIGS光吸收层在高温处理过程中保持稳定。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池背电极，包括由下至上依次设置的衬底、金属导电层、阻挡层、Na合金层与外保护导电层；
所述阻挡层为过渡金属氮化物或氮氧化物；所述Na合金层由Na与另一种合金元素构成，Na合金层中的Na含量为2～10%摩尔比；Na合金层厚度为20～50nm。
进一步的，所述Na合金层中的另一种合金元素为Ti、Zr、Cr、V、Nb、Ta、Mo、W、Ni或Cu。
进一步的，所述过渡金属氮化物中的过渡金属为Ti、Zr、Cr、V、Nb、Ta、Mo、W、Ni或Cu。
进一步的，所述衬底为玻璃基板、柔性不锈钢基板或耐高温高分子基板。
进一步的，所述金属导电层为Mo、W、Ta、Cu、Cr的其中一种或两种以上。
进一步的，所述外保护导电层为Mo。
进一步的，所述金属导电层的厚度为100～500nm；阻挡层的厚度为10～80nm；外保护导电层的厚度为20～100nm。
本发明还提供一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池背电极的制备方法，包括以下步骤：
S1、采用磁控溅射在衬底上沉积金属导电层；
S2、在金属导电层表面沉积由过渡金属氮化物或氮氧化物构成的阻挡层；
S3、在阻挡层表面沉积Na含量在2～10%摩尔比的Na合金层；
S4、在Na合金层表面沉积外保护导电层，得到权利要求1所述的铜铟镓硒薄膜太阳能电池背电极。
进一步的，所述磁控溅射的工作气体为氩气，反应气体为氮气与氧气。
本发明的有益效果是，在铜铟镓硒薄膜太阳能电池背电极中引入Na合金层与阻挡层，Na合金层作为Na扩散源，为铜铟镓硒光吸收层提供晶体生长需要的Na，位于Na合金层下面的阻挡层能够阻止Na合金层中的Na向衬底方向扩散，同时也阻止衬底中的杂质向铜铟镓硒光吸收层扩散，实现Na的精准控制，使铜铟镓硒晶体结构达到最佳；另外，阻挡层也阻止了在高温硒化或铜铟镓硒高温共沉积过程中硒元素向金属导电层的扩散，避免了硒和金属导电层之间的反应，确保金属导电层在铜铟镓硒光吸收层生成过程中的稳定性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
图1是本发明铜铟镓硒薄膜太阳能电池背电极的结构示意图；
图2是本发明铜铟镓硒薄膜太阳能电池的结构示意图。
具体实施方式
实施例一
如图1所示，本发明提供一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池背电极，包括由下至上依次设置的衬底1、金属导电层2、阻挡层3、Na合金层4与外保护导电层5；
衬底1采用玻璃衬底；金属导电层2为Mo、W、Ta、Cu的其中一种或两种以上，作为优选的，本实施例采用Mo，由Mo导电内层2a与Mo导电外层2b构成，
厚度共100～500nm。
所述阻挡层3为过渡金属氮化物或氮氧化物，本实施例采用氮氧化钛；厚度为10～80nm。
所述Na合金层4由Na与另一种合金元素构成，Na合金层中的Na含量为2～10%摩尔比；Na合金层4厚度为20～50nm；所述Na合金层中的另一种合金元素为Ti、Zr、Cr、V、Nb、Ta、Mo、W、Ni或Cu，作为优选的，另一种合金元素为Mo。
所述外保护导电层5为Mo，厚度为20～100nm。
结合图2所示，本发明还提供一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池背电极的制备方法，包括以下步骤：
S1、采用3mm厚度的应变点玻璃作为衬底1，对衬底1经过清洗液擦洗和自来水漂洗后，用去离子水、异丙醇溶液浸泡并超声各10～30 分钟，最后经氮气吹干；
将清洗好的衬底1放入安装有Mo靶的真空腔室内，采用直流磁控溅射的方法在衬底1表面先溅射沉积Mo导电内层2a，Mo导电内层2a作为结合力增强层，溅射时，工作气压为8mtorr，溅射功率密度为3～8W/cm2，Mo导电内层2a厚度为20nm；然后送入也安装有Mo靶的真空腔室内，采用直流磁控溅射的方法在钼Mo导电内层2a表面溅射沉积Mo导电外层2b，溅射时，工作气压为3mtorr，溅射功率密度为3～8W/cm2，Mo导电外层2b厚度为220nm；从而得到由Mo导电内层2a与Mo导电外层2b构成的金属导电层2；
S2、将沉积了金属导电层2的衬底1送入安装有Ti靶的真空腔室内，采用磁控反应溅射的方法溅射沉积氮氧化钛薄膜，氮氧化钛薄膜即为阻挡层3，溅射时，工作气压为3mtorr，溅射功率密度为3～8W/cm2， 氩、氮、氧之间的体积比为Ar/N2/O2=5/5/1，阻挡层3厚度为15nm；
S3、将沉积好阻挡层3的衬底1，在同一真空环境中送入安装有钼钠合金Mo-5mol%Na靶的真空腔室内，采用直流磁控溅射的方法在阻挡层3表面溅射沉积Na合金层4，该Na合金层4即作为Na扩散源；溅射时，工作气压为5mtorr，溅射功率密度为3～8W/cm2， Na合金层4厚度为20nm；
S4、将沉积好Na合金层4的衬底1，在同一真空环境中送入安装有Mo靶的真空腔室内，采用直流磁控溅射的方法在Na合金层4表面溅射沉积外保护导电层5；溅射时，工作气压为5mtorr，溅射功率密度为3～8W/cm2，外保护导电层5的厚度为30nm；
至此，完成铜铟镓硒薄膜太阳能电池背电极的制备；
接着在该背电极上制备铜铟镓硒光吸收层，具体为步骤
S5、将步骤S4得到的背电极，经过去离子水，丙酮和异丙醇溶液浸泡并超声各10～30分钟，最后经氮气吹干；
S6、将洁净的背电极衬底放入铜、铟、镓、硒共蒸真空腔体中，将沉积有背电极的衬底加热到570℃；
S7、通过控制铜、铟、镓、硒的蒸发速度，共沉积铜铟镓硒光吸收层6，最终得到铜铟镓硒薄膜太阳能电池。
实施例二
如图1所示，本发明提供一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池背电极，包括由下至上依次设置的衬底1、金属导电层2、阻挡层3、Na合金层4与外保护导电层5；
衬底1采用柔性不锈钢基板；金属导电层2为Cr、Mo、W、Ta、Cu的其中一种或两种以上，作为优选的，本实施例采用Cr、Mo与Cu，由Cr导电内层2a与MoCu合金导电外层2b构成，厚度共100～500nm。
所述阻挡层3为过渡金属氮化物或氮氧化物，本实施例采用氮化钼；厚度为10～80nm。
所述Na合金层4由Na与另一种合金元素构成，Na合金层中的Na含量为2～10%摩尔比；Na合金层4厚度为20～50nm；所述Na合金层中的另一种合金元素为Ti、Zr、Cr、V、Nb、Ta、Mo、W、Ni或Cu，作为优选的，另一种合金元素为Ti。
所述外保护导电层5为Mo，厚度为20～100nm。
结合图2所示，本发明还提供一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池背电极的制备方法，包括以下步骤：
S1、采用柔性不锈钢基板作为衬底1，对衬底1经过酸洗抛光、清洗液擦洗和自来水漂洗后，用去离子水、异丙醇溶液浸泡并超声各10～30 分钟，最后经氮气吹干；
将清洗好的衬底1放入安装有Cr靶的真空腔室内，采用直流磁控溅射的方法在衬底1表面先溅射沉积Cr导电内层2a，Cr导电内层2a作为结合力增强层，溅射时，工作气压为3mtorr，溅射功率密度为3～8W/cm2，Cr导电内层2a厚度为20nm；然后送入也安装有钼铜Mo-20mol%Cu靶的真空腔室内，采用直流磁控溅射的方法在Cr导电内层2a表面溅射沉积MoCu合金导电外层2b，溅射时，工作气压为3mtorr，溅射功率密度为3～8W/cm2，MoCu合金导电外层2b厚度为160nm；从而得到由Cr导电内层2a与MoCu合金导电外层2b构成的金属导电层2；
S2、将沉积了金属导电层2的衬底1送入安装有Mo靶的真空腔室内，采用磁控反应溅射的方法溅射沉积氮化钼薄膜，氮化钼薄膜即为阻挡层3，溅射时，工作气压为6mtorr，溅射功率密度为3～8W/cm2， 氩、氮之间的体积比为Ar/N2/=2/3，阻挡层3厚度为30nm；
S3、将沉积好阻挡层3的衬底1，在同一真空环境中送入安装有钛钠合金Ti-5mol%Na靶的真空腔室内，采用直流磁控溅射的方法在阻挡层3表面溅射沉积Na合金层4，该Na合金层4即作为Na扩散源；溅射时，工作气压为6mtorr，溅射功率密度为3～8W/cm2， Na合金层4厚度为20nm；
S4、将沉积好Na合金层4的衬底1，在同一真空环境中送入安装有Mo靶的真空腔室内，采用直流磁控溅射的方法在Na合金层4表面溅射沉积外保护导电层5；溅射时，工作气压为8mtorr，溅射功率密度为3～8W/cm2，外保护导电层5的厚度为30nm；
至此，完成铜铟镓硒薄膜太阳能电池背电极的制备；
接着在该背电极上制备铜铟镓硒光吸收层，具体为步骤
S5、将步骤S4得到的背电极，经过去离子水，丙酮和异丙醇溶液浸泡并超声各10～30分钟，最后经氮气吹干；
S6、将洁净的背电极衬底放入铜、铟、镓、硒共蒸真空腔体中，将沉积有背电极的衬底加热到570℃；
S7、通过控制铜、铟、镓、硒的蒸发速度，共沉积铜铟镓硒光吸收层6，最终得到铜铟镓硒薄膜太阳能电池。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (9)
1.一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池背电极，其特征在于，包括由下至上依次设置的衬底、金属导电层、阻挡层、Na合金层与外保护导电层；
所述阻挡层为过渡金属氮化物或氮氧化物；所述Na合金层由Na与另一种合金元素构成，Na合金层中的Na含量为2～10%摩尔比；Na合金层厚度为20～50nm。
2.根据权利要求1所述的一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池背电极，其特征在于，所述Na合金层中的另一种合金元素为Ti、Zr、Cr、V、Nb、Ta、Mo、W、Ni或Cu。
3.根据权利要求1所述的一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池背电极，其特征在于，所述过渡金属氮化物中的过渡金属为Ti、Zr、Cr、V、Nb、Ta、Mo、W、Ni或Cu。
4.根据权利要求1所述的一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池背电极，其特征在于，所述衬底为玻璃基板、柔性不锈钢基板或耐高温高分子基板。
5.根据权利要求1所述的一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池背电极，其特征在于，所述金属导电层为Mo、W、Ta、Cu、Cr的其中一种或两种以上。
6.根据权利要求1所述的一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池背电极，其特征在于，所述外保护导电层为Mo。
7.根据权利要求1所述的一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池背电极，其特征在于，所述金属导电层的厚度为100～500nm；阻挡层的厚度为10～80nm；外保护导电层的厚度为20～100nm。
8.一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池背电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采用磁控溅射在衬底上沉积金属导电层；
S2、在金属导电层表面沉积由过渡金属氮化物或氮氧化物构成的阻挡层；
S3、在阻挡层表面沉积Na含量在2～10%摩尔比的Na合金层；
S4、在Na合金层表面沉积外保护导电层，得到权利要求1所述的铜铟镓硒薄膜太阳能电池背电极。
9.根据权利要求8所述的一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池背电极的制备方法，其特征在于，所述磁控溅射的工作气体为氩气，反应气体为氮气与氧气。
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