CN109638096A - 一种化合物半导体薄膜太阳能电池制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种化合物半导体薄膜太阳能电池制备方法，包括以下步骤：背电极形成步骤，在衬底上形成背电极；吸收层形成步骤，在背电极上形成金属预制层，将金属预制层在Na3PO4溶液中进行浸泡处理并烘干，将烘干后的金属预制层进行后硒化处理形成吸收层；缓冲层形成步骤，在吸收层上形成缓冲层；窗口层形成步骤，在缓冲层上形成本征氧化锌层和掺杂氧化锌层；以及顶电极形成步骤，在所述窗口层上形成顶电极。本发明通过采用Na3PO4溶液对金属预制层进行处理，使得化合物半导体薄膜太阳能电池的开路电压显著提高，器件效率得到了明显的提升。另外，本发明成本低廉，有利于商业化推广和应用。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，具体涉及一种化合物半导体薄膜太阳能电池制备方法。
背景技术
太阳能资源以其分布地域广、清洁无污染、资源丰富、永不枯竭等优点，作为未来最理想的可再生能源。太阳能光伏发电是最具吸引力的利用太阳能资源的方案。光伏发电目前需要解决的主要问题是太阳能电池生产成本和电池的效率。化合物半导体薄膜太阳电池以优良的发电性能，较低的材料和能源消耗等优势，在商业化应用方面具有较大的优势。其中，铜铟镓硒(CIGS)和碲化镉(CdTe)等含有稀有金属和有毒元素的化合物半导体薄膜电池，在大规模应用上受到了限制。铜锌锡硫硒(CZT(SxSe1-x))(x＝0～1)薄膜太阳电池以其原料丰富、成本低、无毒、光吸收系数高、理论转换效率高、禁带宽度可调等优点，作为新一代化合物半导体薄膜太阳电池而具有非常大的应用潜力。
目前限制CZTSSe薄膜太阳电池转化效率的主要因素是电池具有较大的开压损失，使得电池的开路电压较低。
发明内容
为了解决上述问题，本发明公开一种化合物半导体薄膜太阳能电池制备方法，包括以下步骤：背电极形成步骤，在衬底上形成背电极；吸收层形成步骤，在所述背电极上形成金属预制层，将所述金属预制层在Na3PO4溶液中进行浸泡处理并烘干，将所述烘干后的金属预制层进行后硒化处理形成吸收层；缓冲层形成步骤，在所述吸收层上形成缓冲层；窗口层形成步骤，在所述缓冲层上形成本征氧化锌层和掺杂氧化锌层；以及顶电极形成步骤，在所述窗口层上形成顶电极。
本发明的化合物半导体薄膜太阳能电池制备方法中，优选为，所述金属预制层为铜锌锡、铜铟镓。
本发明的化合物半导体薄膜太阳能电池制备方法中，优选为，所述Na3PO4溶液的浓度为mmol/L级别。
本发明的化合物半导体薄膜太阳能电池制备方法中，优选为，所述Na3PO4溶液的浓度为1mmol/L～10mmol/L。
本发明的化合物半导体薄膜太阳能电池制备方法中，优选为，所述浸泡处理时间为20分钟。
本发明的化合物半导体薄膜太阳能电池制备方法中，优选为，所述烘干的温度为80℃～100℃，时间为10分钟。
本发明的化合物半导体薄膜太阳能电池制备方法中，优选为，所述吸收层为铜锌锡硒、铜锌锡硫硒或铜铟镓硒薄膜。
本发明的化合物半导体薄膜太阳能电池制备方法中，优选为，所述吸收层厚度为1.0μm-2.0μm。
本发明的化合物半导体薄膜太阳能电池制备方法中，优选为，所述缓冲层是CdS、ZnS、(Cd,Zn)S、Zn(O,S)或In2S3，所述缓冲层采用化学水浴法、原子层沉积法或蒸发法制备，厚度为30nm～100nm。
本发明的化合物半导体薄膜太阳能电池制备方法中，优选为，所述窗口层采用磁控溅射方法制备，所述本征氧化锌层厚度为30nm～150nm，所述掺杂氧化锌层为掺铝氧化锌薄膜、掺镓氧化锌薄膜或掺镁氧化锌薄膜，厚度为300nm～1500nm。
本发明通过采用NaF溶液对金属预制层进行处理，使得化合物半导体薄膜太阳能电池的开路电压显著提高，器件效率得到了明显的提升。验证了碱金属离子和磷酸根离子在提高化合物半导体薄膜太阳能电池的开路电压方面的作用。另外，本发明成本低廉，有利于商业化推广和应用。
附图说明
图1是本发明的化合物半导体薄膜太阳能电池制备方法的流程图。
图2是CZTSe薄膜太阳能电池的结构示意图。
图3是经不同浓度的Na3PO4溶液处理后的CZTSe薄膜太阳能电池的效率图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“垂直”“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。除非在下文中特别指出，器件中的各个部分可以由本领域的技术人员公知的材料构成，或者可以采用将来开发的具有类似功能的材料。
图1是本发明的化合物半导体薄膜太阳能电池制备方法的流程图。以下结合图1针对本发明的化合物半导体薄膜太阳能电池制备方法的各个步骤进行具体说明。
在背电极形成步骤S1中，在钠钙玻璃上利用磁控溅射方法制备厚度1μm的Mo薄膜作为背电极。
在吸收层形成步骤S2中，首先，采用磁控溅射方法在背电极上溅射形成Cu，Zn，Sn金属预制层。然后，配制Na3PO4溶液，Na3PO4溶液浓度是mmol/L级别。为了对比在不同浓度下的Na3PO4溶液中进行浸泡处理的效果，本实施例中分别配置了浓度为1mmol/L，5mmol/L，10mmol/L的Na3PO4溶液与未在Na3PO4溶液中浸泡处理的样品进行比对。接下来，将金属预制层分别加入到浓度为1mmol/L，5mmol/L，10mmol/L浓度的Na3PO4溶液中，浸泡处理20分钟。而后，将在Na3PO4溶液浸泡处理的金属预制层在80～100℃条件下烘干10分钟。最后，将烘干后的金属预制层进行后硒化处理，形成CZTSe薄膜吸收层，薄膜厚度在1μm～2μm之间。但是，本发明不限定于此，例如，在一些实施方式中金属预制层还可以是铜铟镓，经过后硒化处理后形成铜铟镓硒吸收层。在一些实施方式中，还可以进一步对金属预制层进行后硫化处理，例如金属预制层为铜锌锡，经过后硒化和后硫化处理后形成铜锌锡硫硒吸收层。
在缓冲层形成步骤S3中，利用化学水浴方法在CZTSe薄膜吸收层上制备CdS缓冲层，厚度为50nm。但是，本发明不限定于此，缓冲层还可以是厚度在30nm～100nm的ZnS、(Cd,Zn)S、Zn(O,S)、In2S等薄膜。缓冲层还可以采用原子层沉积法、蒸发法制备。
在窗口层形成步骤S4中，采用磁控溅射法在CdS缓冲层上制备本征氧化锌(i-ZnO)层，薄膜厚度为50nm。同样，采用磁控溅射法制备500nm厚的掺铝氧化锌(AZO)。在一些实施方式中本征氧化锌薄膜厚度在30nm～150nm之间，掺杂氧化锌还可以是掺镓氧化锌薄膜、掺镁氧化锌薄膜，厚度在300nm～1500nm。
在顶电极形成步骤S5中，采用蒸发方法在掺铝氧化锌层上制备镍铝合金层作为顶电极，所得结构如图2所示。
以上，针对本发明的化合物半导体薄膜太阳能电池制备方法的具体实施方式进行了详细说明，但是本发明不限定于此。各步骤的具体实施方式根据情况可以不同。此外，部分步骤的顺序可以调换，部分步骤可以省略等在一些实施方式中，
在图3中示出了经不同浓度的Na3PO4溶液处理后的CZTSe薄膜太阳能电池的效率图。如图3所示，经Na3PO4溶液处理的CZTSe薄膜太阳能电池的开路电压显著提高，器件效率得到了明显的提升。CZTSe太阳能电池器件的开路电压在未经Na3PO4溶液处理时是336mV，经浓度为1mmol/LNa3PO4溶液处理后开路电压提高到354mV，相比于未经处理的CZTSe太阳能电池的开路电压提升了18mV。经浓度为5mmol/LNa3PO4溶液处理后的CZTSe太阳电池的开路电压提高到408mV，相比于未经处理的CZTSe太阳电池的开路电压提升了72mV。经浓度为10mmol/LNa3PO4溶液处理后的CZTSe太阳电池开路电压提高到424mV，相比于未经处理的CZTSe太阳电池的开路电压提升了88mV。由此可见，经过Na3PO4溶液处理后，CZTSe太阳能电池的开路电压得到显著提升。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种化合物半导体薄膜太阳能电池制备方法，其特征在于，
包括以下步骤：
背电极形成步骤，在衬底上形成背电极；
吸收层形成步骤，在所述背电极上形成金属预制层，将所述金属预制层在Na3PO4溶液中进行浸泡处理并烘干，将所述烘干后的金属预制层进行后硒化处理形成吸收层；
缓冲层形成步骤，在所述吸收层上形成缓冲层；
窗口层形成步骤，在所述缓冲层上形成本征氧化锌层和掺杂氧化锌层；以及
顶电极形成步骤，在所述窗口层上形成顶电极。
2.根据权利要求1所述的化合物半导体薄膜太阳能电池制备方法，其特征在于，
所述金属预制层为铜锌锡、铜铟镓。
3.根据权利要求1所述的化合物半导体薄膜太阳能电池制备方法，其特征在于，
所述Na3PO4溶液的浓度为mmol/L级别。
4.根据权利要求3所述的化合物半导体薄膜太阳能电池制备方法，其特征在于，
所述Na3PO4溶液的浓度为1mmol/L～10mmol/L。
5.根据权利要求1所述的化合物半导体薄膜太阳能电池制备方法，其特征在于，
所述浸泡处理时间为20分钟。
6.根据权利要求1所述的化合物半导体薄膜太阳能电池制备方法，其特征在于，
所述烘干的温度为80℃～100℃，时间为10分钟。
7.根据权利要求1所述的化合物半导体薄膜太阳能电池制备方法，其特征在于，
所述吸收层为铜锌锡硒、铜锌锡硫硒或铜铟镓硒薄膜。
8.根据权利要求1所述的化合物半导体薄膜太阳能电池制备方法，其特征在于，
所述吸收层厚度为1.0μm-2.0μm。
9.根据权利要求1所述的化合物半导体薄膜太阳能电池制备方法，其特征在于，
所述缓冲层是CdS、ZnS、(Cd,Zn)S、Zn(O,S)或In2S3，所述缓冲层采用化学水浴法、原子层沉积法或蒸发法制备，厚度为30nm～100nm。
10.根据权利要求1所述的化合物半导体薄膜太阳能电池制备方法，其特征在于，
所述窗口层采用磁控溅射方法制备，所述本征氧化锌层厚度为30nm～150nm，所述掺杂氧化锌为掺铝氧化锌薄膜、掺镓氧化锌薄膜或掺镁氧化锌薄膜，厚度为300nm～1500nm。
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