CN109671803B - 一种薄膜太阳能电池制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种薄膜太阳能电池制备方法,包括以下步骤:在衬底上形成背电极;在背电极上形成金属预制层,将金属预制层在NaF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;形成缓冲层;形成本征氧化锌层和掺杂氧化锌层;以及形成顶电极。本发明通过采用NaF溶液对金属预制层进行处理,使得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,具体涉及一种薄膜太阳能电池制备方法。
背景技术
太阳能光伏发电在解决能源与环境问题方面具有重要的作用和潜力。相比目前占据市场主流的硅基太阳能电池,化合物半导体薄膜太阳能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。以铜铟镓硒(CIGS)和碲化镉(CdTe)为代表的化合物半导体薄膜电池由于含有稀有金属和有毒元素,限制了其商业化应用。铜锌锡硫硒(CZT(SxSe1-x))(x=0~1)薄膜太阳能电池以其原料丰富、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能电池而具有非常大的应用潜力。
目前CZTSSe薄膜太阳能电池的最高认证效率为12.6%,而CIGS薄膜太阳能电池的最高认证效率达到了22.9%,限制CZTSSe薄膜太阳能电池的主要因素是电池的开路电压较低,具有较大的开压损失,成为制约电池转换效率提升的一个关键因素。目前提高CZTSSe薄膜太阳能电池开路电压的主要方法有金属阳离子掺杂,例如通过掺杂Ag,Cd,Ge,Mn等金属元素,都可以明显提高CZTSSe薄膜太阳能电池的开路电压。
以上工艺方法相对复杂,制造成本高。在CZTSSe薄膜太阳能电池阳离子掺杂实验中所涉及的金属阳离子价格昂贵,有毒,无法实现大规模的应用,因而不适宜商业化生产。
发明内容
为了解决上述问题,本发明公开一种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NaF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,形成缓冲层;窗口层形成步骤,形成本征氧化锌层和掺杂氧化锌层;以及顶电极形成步骤,形成顶电极。
本发明的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。
本发明的薄膜太阳能电池制备方法中,优选为,所述NaF溶液的浓度为mmol/L级别。
本发明的薄膜太阳能电池制备方法中,优选为,所述NaF溶液的浓度为3mmol/L~15mmol/L。
本发明的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。
本发明的薄膜太阳能电池制备方法中,优选为,所述在NaF溶液中浸泡处理后的金属预制层在80℃~100℃下烘干10分钟。
本发明的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。
附图说明
图1是本发明的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NaF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NaF溶液,NaF溶液浓度是mmol/L级别。为了对比在不同浓度下的NaF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3mmol/L和15mmol/L的NaF溶液与未在NaF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3mmol/L和15mmol/L浓度的NaF溶液中,浸泡处理20分钟。而后,将在NaF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。
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。
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。例如,在一些实施方式中金属预制层还可以是铜铟镓。在一些实施方式中,还可以对金属预制层进行后硫化处理。在一些实施方式中,吸收层还可以是铜锌锡硫硒、铜铟镓硒等薄膜。在一些实施方式中,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。
在图3中示出了经不同浓度的NaF溶液处理后的CZTSe薄膜太阳能电池的效率图。如图3所示,经NaF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。相比于未经NaF溶液处理的太阳电池,通过NaF溶液处理后,CZTSe薄膜太阳能电池的开路电压从336mV提升到376mV。NaF溶液处理CZTSe金属预制层的方法可以实现对CZTSe太阳电池开路电压的显著提升,从而提高器件效率。
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;
金属预制层形成步骤,在所述背电极上形成金属预制层;
碱金属预处理步骤,将所述金属预制层在NaF溶液中进行浸泡处理并烘干;
吸收层形成步骤,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所述的薄膜太阳能电池制备方法,其特征在于,
所述NaF溶液的浓度为mmol/L级别。
4.根据权利要求3所述的薄膜太阳能电池制备方法,其特征在于,
所述NaF溶液的浓度为3mmol/L~15mmol/L。
5.根据权利要求1所述的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。
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