CN110752266A - 铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的缓冲层及其制备方法、铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片 - Google Patents

铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的缓冲层及其制备方法、铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的缓冲层及其制备方法、铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片，缓冲层为CdS:O缓冲层，靠近所述吸收层的所述CdS:O缓冲层的一侧包括外延生长CdS，远离所述吸收层的所述CdS:O缓冲层的一侧包括纳米晶CdS。缓冲层中的纳米晶CdS可以有效的阻止Cd向铜铟镓硒(CIGS)吸收层中扩散，且氧的引入可以有效增加CdS带隙，减少CdS对光的吸收，增加电池效率，缓冲层既有缓冲的作用，又有防止金属扩散的作用。本发明中的制备方法，在CIGS吸收层的界面处更容易外延生长CdS，在CIGS吸收层的界面外更容易生长CdS纳米晶。

Description

铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的缓冲层及其制备方法、铜铟 镓硒薄膜太阳能电池芯片
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的缓冲层及其制备方法、铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片。
背景技术
在高转换效率铜铟镓硒(简称CIGS)薄膜太阳能电池中,电池的结构一般为:衬底/Mo/CIGS/CdS/i-ZnO/ZnO:Al。其中,CIGS(铜铟镓硒)是p-型半导体,带隙宽度为1.04～1.24eV，作为太阳能电池的吸收层；i-ZnO是高阻n-型半导体和ZnO:Al(AZO)掺杂的低阻透明导电层一起作为窗口层，带隙宽度为3.37eV；CdS作为缓冲层，其禁带宽度为2.40eV。如果由CIGS与ZnO直接接触形成p-n 结，它们带隙相差太大，且由于它们晶格常数也相差较大，直接接触的晶格匹配不好，影响光伏电池的输出性能。因此,在CIGS 和ZnO之间增加一层很薄的CdS(约50nm)作为缓冲层，形成 CIGS/CdS/ZnO结构。CdS的主要制备方法是化学水浴法(CBD)、金属有机化学沉积法(MOCVD)和物理气相沉积方法(PVD)。化学水浴法最为常见，其沉积的CdS具有无针孔、结构致密的特点。但由于镉的毒性较大，被镉污染的空气和食物对人体危害严重，且在人体内代谢较慢，化学水浴沉积过程中产生大量的有害废液。相比于化学水浴法和金属有机化学沉积法，物理气相沉积只产生少量的固体粉末，对环境的污染最小。常规物理气机沉积 CdS方法通常为在Ar气的气氛下，在电场的作用下Ar离子电离，高能粒子轰击CdS靶材，使靶材中的原子溅射出来，沉积在基底表面形成薄膜的方法。
物理气机沉积生长的CdS与CIGS薄膜的晶格失配较低，约为1.4％,容易在CIGS上外延生长。虽然外延生长有利于减少界面复合，但CIGS中的Cu等元素都也很容易扩散到CdS中去，产生大量的复合中心，影响电池效率及长期可靠性结果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中铜铟镓硒薄膜太阳能电池中CIGS吸收层中的Cu等元素都也很容易扩散到CdS 缓冲层中去，产生大量的复合中心，影响电池效率及长期可靠性的技术问题，本发明提供一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的缓冲层及其制备方法、铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片，缓冲层中的纳米晶CdS可以有效的阻止Cd向铜铟镓硒(CIGS)吸收层中扩散，且氧的引入可以有效增加CdS带隙，减少CdS对光的吸收，增加电池效率，缓冲层既有缓冲的作用，又有防止金属扩散的作用。
解决本发明技术问题所采用的技术方案是提供一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的缓冲层，缓冲层用于沉积于铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的铜铟镓硒吸收层上，所述缓冲层为CdS:O缓冲层，靠近所述吸收层的所述CdS:O缓冲层的一侧包括外延生长CdS，远离所述吸收层的所述CdS:O缓冲层的一侧包括纳米晶CdS。靠近所述吸收层的所述CdS:O缓冲层的一侧的掺氧量比远离所述吸收层的所述CdS:O缓冲层的一侧的掺氧量低。本发明中CdS:O指的是基质CdS中掺杂O。
一种可能的设计中，靠近所述吸收层的所述CdS:O缓冲层的一侧的掺氧量为10～20mas％，远离所述吸收层的所述CdS:O缓冲层的一侧的掺氧量为20～45mas％。
一种可能的设计中，所述缓冲层的厚度为30～70nm。
一种可能的设计中，CdS:O缓冲层包括设置于吸收层上的第一缓冲层和设置于第一缓冲层上的第二缓冲层，第一缓冲层为外延生长的CdS，第二缓冲层为掺氧的纳米晶CdS。
一种可能的设计中，第一缓冲层的厚度与第二缓冲层的厚度的比值为1：(1.5～4)。
本发明还提供一种上述的铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的缓冲层的制备方法，包括以下步骤：
磁控溅射所用的溅射气体为惰性气体，反应气体为氧气，溅射源包括至少两支硫化镉靶材，至少一支硫化镉靶材比其它支硫化镉靶材的功率大，在上述条件下通过磁控溅射在铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的铜铟镓硒吸收层上沉积CdS:O缓冲层，靠近所述吸收层的所述CdS:O缓冲层的一侧包括外延生长CdS，远离所述吸收层的所述CdS:O缓冲层的一侧包括纳米晶CdS。靠近所述吸收层的所述CdS:O缓冲层的一侧的掺氧量比远离所述吸收层的所述CdS:O缓冲层的一侧的掺氧量低。
一种可能的设计中，不同功率的硫化镉靶材的功率比为 (1.2～5):1。
一种可能的设计中，所述惰性气体与所述氧气的摩尔比为 (2～10):1。
一种可能的设计中，所述磁控溅射的工作气压为1～20Pa，所述磁控溅射的功率为300～2000W。
一种可能的设计中，所述磁控溅射时，所述铜铟镓硒吸收层的温度为600～800℃。
一种可能的设计中，所述溅射源包括四支硫化镉靶材，其中一支硫化镉靶材的功率比其余三支硫化镉靶材的功率大，其余三支硫化镉靶材的功率相同。
本发明还提供一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的缓冲层的制备方法，包括以下步骤：
1)第一磁控溅射所用的溅射气体为惰性气体，溅射源硫化镉靶材，在上述条件下通过第一磁控溅射在铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的铜铟镓硒吸收层上进行气相沉积；
2)第二磁控溅射所用的溅射气体为惰性气体，反应气体为氧气，溅射源硫化镉靶材，在上述条件下通过第二磁控溅射继续进行气相沉积；
步骤1)、2)结束得到CdS:O缓冲层，靠近所述吸收层的所述CdS:O缓冲层的一侧包括外延生长CdS，远离所述吸收层的所述CdS:O缓冲层的一侧包括纳米晶CdS。
本发明还提供一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片，包括：铜铟镓硒吸收层、上述的铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的缓冲层，其中，所述缓冲层设置于所述铜铟镓硒吸收层上。
本发明中的铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的缓冲层，缓冲层中的纳米晶CdS可以有效的阻止Cd向铜铟镓硒(CIGS)吸收层中扩散，且氧的引入可以有效增加CdS带隙，减少CdS对光的吸收，增加电池效率，缓冲层既有缓冲的作用，又有防止金属扩散的作用。本发明中的铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的缓冲层的制备方法，在磁控溅射时所用的反应气体为氧气，在CdS中进行掺杂O，CdS容易生长成小的纳米晶，不再外延生长，同时由于至少一支硫化镉靶材比其它支硫化镉靶材的功率大，所以功率大的硫化镉靶材的沉积速率大，功率大的硫化镉靶材通过磁控溅射出的硫化镉粒子与氧气或者氧原子结合的概率明显小于其它功率小的硫化镉靶材区域，在CIGS吸收层的界面处更容易外延生长CdS，在CIGS吸收层的界面外更容易生长CdS纳米晶，有效阻止Cd向铜铟镓硒(CIGS)吸收层中扩散，也可阻止缓冲层以外的其它层中的金属向吸收层中扩散，例如阻止吸收层中的金属铜向缓冲层扩散，提高电池长期可靠性且具有较低的能量衰减。
附图说明
图1是本发明实施例1中铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的结构示意图；
图2是本发明实施例1、对比例1中的太阳能电池组件的光电转换效率图；
图3是本发明实施例1、对比例1中的太阳能电池组件的长期可靠性TC200衰减图；
图4是本发明对比例1中缓冲层和吸收层界面处的元素分布图；
图5是本发明对比例1中缓冲层和吸收层界面处的元素分布图。
图中：1-不锈钢柔性衬底；2-Ti/Mo阻挡层；3-Na掺杂Mo 层；4-Mo层；5-CIGS吸收层；6-缓冲层；7-i-ZnO层；8-AZO层。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
实施例1
本实施例提供一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的缓冲层的制备方法，包括以下步骤：
磁控溅射所用的溅射气体为惰性气体，反应气体为氧气，溅射源包括至少两支硫化镉靶材，至少一支硫化镉靶材比其它支硫化镉靶材的功率大，在上述条件下通过磁控溅射在铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的铜铟镓硒吸收层上沉积CdS:O缓冲层，靠近所述吸收层的所述CdS:O缓冲层的一侧包括外延生长CdS，远离所述吸收层的所述CdS:O缓冲层的一侧包括纳米晶CdS。靠近所述吸收层的所述CdS:O缓冲层的一侧的掺氧量比远离所述吸收层的所述CdS:O缓冲层的一侧的掺氧量低。具体的，本实施例中的惰性气体为氩气。CdS:O指的是基质CdS中掺杂O。
需要说明的是，本实施例中不同功率的两个硫化镉靶材的功率比为2:1。
需要说明的是，本实施例中惰性气体与氧气的摩尔比为4:1。
需要说明的是，本实施例中磁控溅射时，铜铟镓硒吸收层的温度为600℃。
需要说明的是，本实施例中溅射源包括四支硫化镉靶材，其中一支硫化镉靶材的功率比其余三支硫化镉靶材的功率大，其余三支硫化镉靶材的功率相同。
本实施例提供一种上述制备方法得到的铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的缓冲层，缓冲层用于沉积于铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的铜铟镓硒吸收层上，缓冲层为CdS:O缓冲层，靠近所述吸收层的所述CdS:O缓冲层的一侧包括外延生长CdS，远离所述吸收层的所述CdS:O缓冲层的一侧包括纳米晶CdS。
需要说明的是，本实施例中缓冲层包括纳米晶的CdS:O。
需要说明的是，本实施例中靠近吸收层的CdS:O缓冲层的一侧的掺氧量为17mas％，远离吸收层的CdS:O缓冲层的一侧的掺氧量为35mas％。
本实施例中的铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的缓冲层的制备方法，在磁控溅射时所用的反应气体为氧气，在CdS中进行掺杂 O，CdS容易生长成小的纳米晶，不再外延生长，可以有效的阻止 Cd向铜铟镓硒(CIGS)吸收层中扩散，且氧的引入可以有效增加 CdS带隙，减少CdS对光的吸收，增加电池效率。同时由于至少一支硫化镉靶材比其它支硫化镉靶材的功率大，所以功率大的硫化镉靶材的沉积速率大，功率大的硫化镉靶材通过磁控溅射出的硫化镉粒子与氧气或者氧原子结合的概率明显小于其它功率小的硫化镉靶材区域，可以在CIGS吸收层的界面处外延生长CdS，在 CIGS吸收层的界面外生长CdS纳米晶，有效阻止Cd向铜铟镓硒 (CIGS)吸收层中扩散，也可阻止缓冲层以外的其它层中的金属向吸收层中扩散。
本实施例还提供一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片，包括：柔性衬底、导电层、铜铟镓硒吸收层、上述的铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的缓冲层、窗口层，其中，所述缓冲层设置于所述铜铟镓硒吸收层上。
如图1所示，本实施例中在不锈钢柔性衬底1上通过卷绕式镀膜设备，连续沉积铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的各个膜层： Ti/Mo阻挡层2、Na掺杂Mo层3、Mo层4、CIGS吸收层5、上述的缓冲层6、i-ZnO层7、AZO层8。
其中，i-ZnO是高阻n-型半导体，AZO为ZnO：Al，i-ZnO 层7、AZO层8作为窗口层，Ti/Mo阻挡层2、Na掺杂Mo层3、 Mo层4作为导电层。ZnO：Al指的是基质ZnO中掺杂Al。
其中，Ti/Mo阻挡层2厚度约为400nm，Na掺杂Mo层3厚度约为240nm，Mo层4厚度约为200nm，CIGS吸收层5厚度约为1.5um，缓冲层6厚度约为50nm，i-ZnO层7厚度约为80nm， AZO层8厚度约为200nm。
具体的，本实施例中的缓冲层在制备时，缓冲层沉积腔室中通入Ar和O2，Ar流量为200sccm，O2流量为50sccm，缓冲层沉积腔室内的压力为2Pa，第一支硫化镉靶材功率为800W，第二、三、四支硫化镉靶材功率为400W。衬底温度为室温。
将本实施例中的铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片组装成多个太阳能电池组件，如图2所示，测得多个太阳能电池组件的平均光电转换效率为14.5％。如图3所示，多个太阳能电池组件经长期可靠性冷热循环200次(TC200)后的平均衰减率为-0.9％。通过二次离子质谱测量得到CdS:O缓冲层和CIGS吸收层界面处元素分布如图4所示，可以看出几乎没有Cu元素扩散到CdS:O缓冲层中。
本实施例中的铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的缓冲层，缓冲层中的纳米晶CdS可以有效的阻止Cd向铜铟镓硒(CIGS)吸收层中扩散，且氧的引入可以有效增加CdS带隙，减少CdS对光的吸收，增加电池效率，缓冲层既有缓冲的作用，又有防止金属扩散的作用。本实施例中的铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的缓冲层的制备方法，在磁控溅射时所用的反应气体为氧气，在CdS中进行掺杂O，CdS容易生长成小的纳米晶，不再外延生长，同时由于至少一支硫化镉靶材比其它支硫化镉靶材的功率大，所以功率大的硫化镉靶材的沉积速率大，功率大的硫化镉靶材通过磁控溅射出的硫化镉粒子与氧气或者氧原子结合的概率明显小于其它功率小的硫化镉靶材区域，在CIGS吸收层的界面处更容易外延生长 CdS，在CIGS吸收层的界面外更容易生长CdS纳米晶，有效阻止Cd向铜铟镓硒(CIGS)吸收层中扩散，也可阻止缓冲层以外的其它层中的金属向吸收层中扩散，例如阻止吸收层中的金属铜向缓冲层扩散，提高电池长期可靠性且具有较低的能量衰减。
对比例1
本对比例提供一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的缓冲层的制备方法，与实施例1中的区别为：
本实施例中的缓冲层在制备时，缓冲层沉积腔室中只通入Ar， Ar流量为200sccm，缓冲层沉积腔室内的压力为2pa，四支硫化镉靶材功率均为500W。通过磁控溅射在铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的铜铟镓硒吸收层上沉积CdS缓冲层。
本对比例提供一种上述制备方法得到的铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的缓冲层。
本对比例提供一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片，与实施例 1中的区别为：缓冲层为本对比例中的CdS缓冲层。
将本对比例中的铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片组装成多个太阳能电池组件，如图2所示，测得多个太阳能电池组件的平均光电转换效率为12.6％。如图3所示，多个太阳能电池组件经长期可靠性冷热循环200次(TC200)后的平均衰减率为-9.1％。通过二次离子质谱测量得到CdS:O缓冲层和CIGS吸收层界面处元素分布如图5所示，可以看出明显Cu元素扩散到CdS缓冲层中。
实施例2
本实施例提供一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的缓冲层的制备方法，包括以下步骤：
磁控溅射所用的溅射气体为惰性气体，反应气体为氧气，溅射源包括至少两支硫化镉靶材，至少一支硫化镉靶材比其它支硫化镉靶材的功率大，在上述条件下通过磁控溅射在铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的铜铟镓硒吸收层上沉积CdS:O缓冲层，靠近所述吸收层的所述CdS:O缓冲层的一侧包括外延生长CdS，远离所述吸收层的所述CdS:O缓冲层的一侧包括纳米晶CdS。靠近所述吸收层的所述CdS:O缓冲层的一侧的掺氧量比远离所述吸收层的所述CdS:O缓冲层的一侧的掺氧量低。具体的，本实施例中的惰性气体为氦气。CdS:O指的是基质CdS中掺杂O。
需要说明的是，本实施例中不同功率的两个硫化镉靶材的功率比为3:1。
需要说明的是，本实施例中惰性气体与氧气的摩尔比为2:1。
需要说明的是，本实施例中磁控溅射的工作气压为1Pa，功率大的硫化镉靶材的功率为900W，功率小的硫化镉靶材的功率为 300W。
需要说明的是，本实施例中磁控溅射时，铜铟镓硒吸收层的温度为700℃。
需要说明的是，本实施例中溅射源包括四支硫化镉靶材，其中一支硫化镉靶材的功率比其余三支硫化镉靶材的功率大，其余三支硫化镉靶材的功率相同。
本实施例提供一种上述制备方法得到的铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的缓冲层，缓冲层用于沉积于铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的铜铟镓硒吸收层上，缓冲层为CdS:O缓冲层，靠近所述吸收层的所述CdS:O缓冲层的一侧包括外延生长CdS，远离所述吸收层的所述CdS:O缓冲层的一侧包括纳米晶CdS。
需要说明的是，本实施例中缓冲层包括纳米晶的CdS:O。
需要说明的是，本实施例中靠近吸收层的CdS:O缓冲层的一侧的掺氧量为12mas％，远离吸收层的CdS:O缓冲层的一侧的掺氧量为40mas％。
需要说明的是，本实施例中缓冲层的厚度为30nm。
本实施例中的铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的缓冲层的制备方法，在磁控溅射时所用的反应气体为氧气，在CdS中进行掺杂 O，CdS容易生长成小的纳米晶，不再外延生长，可以有效的阻止 Cd向铜铟镓硒(CIGS)吸收层中扩散，且氧的引入可以有效增加 CdS带隙，减少CdS对光的吸收，增加电池效率。同时由于至少一支硫化镉靶材比其它支硫化镉靶材的功率大，所以功率大的硫化镉靶材的沉积速率大，功率大的硫化镉靶材通过磁控溅射出的硫化镉粒子与氧气或者氧原子结合的概率明显小于其它功率小的硫化镉靶材区域，可以在CIGS吸收层的界面处外延生长CdS，在 CIGS吸收层的界面外生长CdS纳米晶，有效阻止Cd向铜铟镓硒 (CIGS)吸收层中扩散，也可阻止缓冲层以外的其它层中的金属向吸收层中扩散。
本实施例还提供一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片，包括依次设置的柔性衬底、导电层、铜铟镓硒吸收层、上述的铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的缓冲层、窗口层。
本实施例中在不锈钢柔性衬底上通过卷绕式镀膜设备连续沉积如图1所示的各个膜层：Ti/Mo阻挡层、Na掺杂Mo层、Mo 层、CIGS吸收层、缓冲层、i-ZnO层、AZO层。
其中，i-ZnO是高阻n-型半导体，AZO为ZnO：Al，i-ZnO 层、AZO窗作为窗口层，Ti/Mo阻挡层、Na掺杂Mo层、Mo层作为导电层。
其中，Ti/Mo阻挡层厚度约为400nm，Na掺杂Mo层厚度约为240nm，Mo层厚度约为200nm，CIGS吸收层厚度约为1.5um，缓冲层厚度约为50nm，i-ZnO层厚度约为80nm，AZO层厚度约为200nm。
具体的，本实施例中的缓冲层在制备时，缓冲层沉积腔室中通入Ar和O2，Ar流量为200sccm，O2流量为50sccm，衬底温度为室温。
将铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片组装成多个太阳能电池组件，测得多个太阳能电池组件的平均光电转换效率为16％。多个太阳能电池组件经长期可靠性冷热循环200次(TC200)后的平均衰减率为1％。
实施例3
本实施例提供一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的缓冲层的制备方法，包括以下步骤：
磁控溅射所用的溅射气体为惰性气体，反应气体为氧气，溅射源包括至少两支硫化镉靶材，至少一支硫化镉靶材比其它支硫化镉靶材的功率大，在上述条件下通过磁控溅射在铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的铜铟镓硒吸收层上沉积CdS:O缓冲层，靠近所述吸收层的所述CdS:O缓冲层的一侧包括外延生长CdS，远离所述吸收层的所述CdS:O缓冲层的一侧包括纳米晶CdS。靠近所述吸收层的所述CdS:O缓冲层的一侧的掺氧量比远离所述吸收层的所述CdS:O缓冲层的一侧的掺氧量低。具体的，本实施例中的惰性气体为氩气。CdS:O指的是基质CdS中掺杂O。
需要说明的是，本实施例中不同功率的两个硫化镉靶材的功率比为2:1。
需要说明的是，本实施例中惰性气体与氧气的摩尔比为6:1。
需要说明的是，本实施例中磁控溅射的工作气压为10Pa，功率大的硫化镉靶材的功率为800W，功率小的硫化镉靶材的功率为 400W。
需要说明的是，本实施例中磁控溅射时，铜铟镓硒吸收层的温度为800℃。
需要说明的是，本实施例中溅射源包括五支硫化镉靶材，其中一支硫化镉靶材的功率比其余四支硫化镉靶材的功率大，功率大的两支硫化镉靶材的功率相同，其余四支硫化镉靶材的功率相同。
本实施例提供一种上述制备方法得到的铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的缓冲层，缓冲层用于沉积于铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的铜铟镓硒吸收层上，缓冲层为CdS:O缓冲层，靠近所述吸收层的所述CdS:O缓冲层的一侧包括外延生长CdS，远离所述吸收层的所述CdS:O缓冲层的一侧包括纳米晶CdS。
需要说明的是，本实施例中缓冲层包括纳米晶的CdS:O。
需要说明的是，本实施例中靠近吸收层的CdS:O缓冲层的一侧的掺氧量为16mas％，远离吸收层的CdS:O缓冲层的一侧的掺氧量为34mas％
需要说明的是，本实施例中缓冲层的厚度为70nm。
本实施例中的铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的缓冲层的制备方法，在磁控溅射时所用的反应气体为氧气，在CdS中进行掺杂O，CdS容易生长成小的纳米晶，不再外延生长，可以有效的阻止 Cd向铜铟镓硒(CIGS)吸收层中扩散，且氧的引入可以有效增加 CdS带隙，减少CdS对光的吸收，增加电池效率。同时由于至少一支硫化镉靶材比其它支硫化镉靶材的功率大，所以功率大的硫化镉靶材的沉积速率大，功率大的硫化镉靶材通过磁控溅射出的硫化镉粒子与氧气或者氧原子结合的概率明显小于其它功率小的硫化镉靶材区域，可以在CIGS吸收层的界面处外延生长CdS，在 CIGS吸收层的界面外生长CdS纳米晶，有效阻止Cd向铜铟镓硒 (CIGS)吸收层中扩散，也可阻止缓冲层以外的其它层中的金属向吸收层中扩散。
本实施例还提供一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片，包括：柔性衬底、导电层、铜铟镓硒吸收层、上述的铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的缓冲层、窗口层。
本实施例中在不锈钢柔性衬底上通过卷绕式镀膜设备连续沉积如图1所示的各个膜层：Ti/Mo阻挡层、Na掺杂Mo层、Mo 层、CIGS吸收层、缓冲层、i-ZnO层、AZO层。
其中，i-ZnO是高阻n-型半导体，AZO为ZnO：Al，i-ZnO 层、AZO窗作为窗口层，Ti/Mo阻挡层、Na掺杂Mo层、Mo层作为导电层。
其中，Ti/Mo阻挡层厚度约为400nm，Na掺杂Mo层厚度约为240nm，Mo层厚度约为200nm，CIGS吸收层厚度约为1.5um，缓冲层厚度约为50nm，i-ZnO层厚度约为80nm，AZO层厚度约为200nm。
具体的，本实施例中的缓冲层在制备时，缓冲层沉积腔室中通入Ar和O2，Ar流量为250sccm，O2流量为60sccm。衬底温度为室温。
将铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片组装成多个太阳能电池组件，测得多个太阳能电池组件的平均光电转换效率为15.9％。多个太阳能电池组件经长期可靠性冷热循环200次(TC200)后的平均衰减率为1.1％。
实施例4
本实施例提供一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的缓冲层的制备方法，包括以下步骤：
磁控溅射所用的溅射气体为惰性气体，反应气体为氧气，溅射源包括至少两支硫化镉靶材，至少一支硫化镉靶材比其它支硫化镉靶材的功率大，在上述条件下通过磁控溅射在铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的铜铟镓硒吸收层上沉积CdS:O缓冲层，靠近所述吸收层的所述CdS:O缓冲层的一侧包括外延生长CdS，远离所述吸收层的所述CdS:O缓冲层的一侧包括纳米晶CdS。靠近所述吸收层的所述CdS:O缓冲层的一侧的掺氧量比远离所述吸收层的所述CdS:O缓冲层的一侧的掺氧量低。具体的，本实施例中的惰性气体为氩气。CdS:O指的是基质CdS中掺杂O。
需要说明的是，本实施例中不同功率的两个硫化镉靶材的功率比为15:7。
需要说明的是，本实施例中惰性气体与氧气的摩尔比为10:1。
需要说明的是，本实施例中磁控溅射的工作气压为20Pa，功率大的硫化镉靶材的功率为750W，功率小的硫化镉靶材的功率为 350W。
需要说明的是，本实施例中磁控溅射时，铜铟镓硒吸收层的温度为750℃。
需要说明的是，本实施例中溅射源包括六支硫化镉靶材，其中三支硫化镉靶材的功率比其余三支硫化镉靶材的功率大，功率大的三支硫化镉靶材的功率相同，其余三支硫化镉靶材的功率相同。
本实施例提供一种上述制备方法得到的铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的缓冲层，缓冲层用于沉积于铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的铜铟镓硒吸收层上，缓冲层为CdS:O缓冲层，靠近所述吸收层的所述CdS:O缓冲层的一侧包括外延生长CdS，远离所述吸收层的所述CdS:O缓冲层的一侧包括纳米晶CdS。
需要说明的是，本实施例中缓冲层包括纳米晶的CdS:O。
需要说明的是，本实施例中靠近吸收层的CdS:O缓冲层的一侧的掺氧量为11mas％，远离吸收层的CdS:O缓冲层的一侧的掺氧量为33mas％。
需要说明的是，本实施例中缓冲层的厚度为40nm。
本实施例中的铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的缓冲层的制备方法，在磁控溅射时所用的反应气体为氧气，在CdS中进行掺杂 O，CdS容易生长成小的纳米晶，不再外延生长，可以有效的阻止 Cd向铜铟镓硒(CIGS)吸收层中扩散，且氧的引入可以有效增加 CdS带隙，减少CdS对光的吸收，增加电池效率。同时由于至少一支硫化镉靶材比其它支硫化镉靶材的功率大，所以功率大的硫化镉靶材的沉积速率大，功率大的硫化镉靶材通过磁控溅射出的硫化镉粒子与氧气或者氧原子结合的概率明显小于其它功率小的硫化镉靶材区域，可以在CIGS吸收层的界面处外延生长CdS，在 CIGS吸收层的界面外生长CdS纳米晶，有效阻止Cd向铜铟镓硒 (CIGS)吸收层中扩散，也可阻止缓冲层以外的其它层中的金属向吸收层中扩散。
本实施例还提供一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片，包括：柔性衬底、导电层、铜铟镓硒吸收层、上述的铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的缓冲层、窗口层。
本实施例中在不锈钢柔性衬底上通过卷绕式镀膜设备连续沉积如图1所示的各个膜层：Ti/Mo阻挡层、Na掺杂Mo层、Mo 层、CIGS吸收层、缓冲层、i-ZnO层、AZO层。
其中，i-ZnO是高阻n-型半导体，AZO为ZnO：Al，i-ZnO 层、AZO窗作为窗口层，Ti/Mo阻挡层、Na掺杂Mo层、Mo层作为导电层。
其中，Ti/Mo阻挡层厚度约为400nm，Na掺杂Mo层厚度约为240nm，Mo层厚度约为200nm，CIGS吸收层厚度约为1.5um，缓冲层厚度约为50nm，i-ZnO层厚度约为80nm，AZO层厚度约为200nm。
具体的，本实施例中的缓冲层在制备时，缓冲层沉积腔室中通入Ar和O2，Ar流量为300sccm，O2流量为40sccm。衬底温度为室温。
将铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片组装成多个太阳能电池组件，测得多个太阳能电池组件的平均光电转换效率为14％。多个太阳能电池组件经长期可靠性冷热循环200次(TC200)后的平均衰减率为9％。
实施例5
本实施例提供一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的缓冲层的制备方法，与实施例1中的方法的区别为：
需要说明的是，本实施例中靠近吸收层的CdS:O缓冲层的一侧的掺氧量为10mas％，远离吸收层的CdS:O缓冲层的一侧的掺氧量为20mas％。
需要说明的是，本实施例中不同功率的两个硫化镉靶材的功率比为5:1。
需要说明的是，本实施例中磁控溅射的工作气压为5Pa，功率大的硫化镉靶材的功率为2000W，功率小的硫化镉靶材的功率为400W。
实施例6
本实施例提供一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的缓冲层的制备方法，与实施例1中的方法的区别为：
需要说明的是，本实施例中靠近吸收层的CdS:O缓冲层的一侧的掺氧量为20mas％，远离吸收层的CdS:O缓冲层的一侧的掺氧量为45mas％。
需要说明的是，本实施例中不同功率的两个硫化镉靶材的功率比为4:1。
需要说明的是，本实施例中磁控溅射的工作气压为15Pa，功率大的硫化镉靶材的功率为1200W，功率小的硫化镉靶材的功率为300W。
实施例7
本实施例还提供一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的缓冲层的制备方法，包括以下步骤：
1)第一磁控溅射所用的溅射气体为惰性气体，溅射源硫化镉靶材，在上述条件下通过第一磁控溅射在铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的铜铟镓硒吸收层上进行气相沉积，得到第一缓冲层，第一缓冲层为外延生长的CdS，第一缓冲层的厚度为20nm。第一磁控溅射时，吸收层的温度为600℃，第一磁控溅射的功率为500W，工作气压为10Pa。
2)第二磁控溅射所用的溅射气体为惰性气体，反应气体为氧气，溅射源硫化镉靶材，在上述条件下通过第二磁控溅射继续进行气相沉积，得到第二缓冲层，第二缓冲层为掺氧的纳米晶CdS，第二缓冲层的厚度为30nm。第二磁控溅射时，第二磁控溅射的功率为500W，惰性气体与氧气的摩尔比为5:1，工作气压为10Pa。
步骤1)、2)结束得到CdS:O缓冲层，缓冲层包括第一缓冲层和第二缓冲层。具体的，本实施例中的惰性气体为氩气。
本实施例提供一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的缓冲层，其由上述方法制备。
本实施例还提供一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片，包括：柔性衬底、导电层、铜铟镓硒吸收层、上述的铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的缓冲层、窗口层。
本实施例中在不锈钢柔性衬底上通过卷绕式镀膜设备连续沉积如图1所示的各个膜层：Ti/Mo阻挡层、Na掺杂Mo层、Mo 层、CIGS吸收层、缓冲层、i-ZnO层、AZO层。
其中，i-ZnO是高阻n-型半导体，AZO为ZnO：Al，i-ZnO 层、AZO窗作为窗口层，Ti/Mo阻挡层、Na掺杂Mo层、Mo层作为导电层。
其中，Ti/Mo阻挡层厚度约为400nm，Na掺杂Mo层厚度约为240nm，Mo层厚度约为200nm，CIGS吸收层厚度约为1.5um，缓冲层厚度约为50nm，i-ZnO层厚度约为80nm，AZO层厚度约为200nm。
将铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片组装成多个太阳能电池组件，测得多个太阳能电池组件的平均光电转换效率为16.2％。多个太阳能电池组件经长期可靠性冷热循环200次(TC200)后的平均衰减率为0.6％。
实施例8
本实施例还提供一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的缓冲层的制备方法，与实施例7中的区别为：第一缓冲层的厚度为15nm，第二缓冲层的厚度为45nm。
实施例9
本实施例还提供一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的缓冲层的制备方法，与实施例7中的区别为：第一缓冲层的厚度为25nm，第二缓冲层的厚度为40nm。
实施例10
本实施例还提供一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的缓冲层的制备方法，与实施例7中的区别为：第一缓冲层的厚度为15nm，第二缓冲层的厚度为60nm。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的缓冲层，缓冲层用于沉积于铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的铜铟镓硒吸收层上，其特征在于，所述缓冲层为CdS:O缓冲层，靠近所述吸收层的所述CdS:O缓冲层的一侧包括外延生长CdS，远离所述吸收层的所述CdS:O缓冲层的一侧包括纳米晶CdS。
2.根据权利要求1所述的铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的缓冲层，其特征在于，靠近所述吸收层的所述CdS:O缓冲层的一侧的掺氧量为10～20mas％，远离所述吸收层的所述CdS:O缓冲层的一侧的掺氧量为20～45mas％。
3.根据权利要求1所述的铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的缓冲层，其特征在于，CdS:O缓冲层包括设置于吸收层上的第一缓冲层和设置于第一缓冲层上的第二缓冲层，第一缓冲层为外延生长的CdS，第二缓冲层为掺氧的纳米晶CdS。
4.一种权利要求1或2所述的铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的缓冲层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
磁控溅射所用的溅射气体为惰性气体，反应气体为氧气，溅射源包括至少两支硫化镉靶材，至少一支硫化镉靶材比其它支硫化镉靶材的功率大，在上述条件下通过磁控溅射在铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的铜铟镓硒吸收层上沉积CdS:O缓冲层，靠近所述吸收层的所述CdS:O缓冲层的一侧包括外延生长CdS，远离所述吸收层的所述CdS:O缓冲层的一侧包括纳米晶CdS。
5.根据权利要求4所述的铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的缓冲层的制备方法，其特征在于，不同功率的两个硫化镉靶材的功率比为(1.2～5):1。
6.根据权利要求4所述的铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的缓冲层的制备方法，其特征在于，所述惰性气体与所述氧气的摩尔比为(2～10):1。
7.根据权利要求4～6任意一项所述的铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的缓冲层的制备方法，其特征在于，所述磁控溅射的工作气压为1～20Pa，所述磁控溅射的功率为300～2000W。
8.根据权利要求4～6任意一项所述的铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的缓冲层的制备方法，其特征在于，所述磁控溅射时，所述铜铟镓硒吸收层的温度为600～800℃。
9.一种权利要求1或3所述的铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的缓冲层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)第一磁控溅射所用的溅射气体为惰性气体，溅射源为硫化镉靶材，在上述条件下通过第一磁控溅射在铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的铜铟镓硒吸收层上进行气相沉积；
2)第二磁控溅射所用的溅射气体为惰性气体，反应气体为氧气，溅射源为硫化镉靶材，在上述条件下通过第二磁控溅射继续进行气相沉积；
步骤1)、2)结束得到CdS:O缓冲层，靠近所述吸收层的所述CdS:O缓冲层的一侧包括外延生长CdS，远离所述吸收层的所述CdS:O缓冲层的一侧包括纳米晶CdS。
10.一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片，其特征在于，包括：铜铟镓硒吸收层、权利要求1～3任意一项所述的铜铟镓硒薄膜太阳能电池芯片的缓冲层，其中，所述缓冲层设置于所述铜铟镓硒吸收层上。
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