一種摻鈉銅銦鎵硒太陽電池器件及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及薄膜太陽電池技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于聚酰亞胺膜-蘇打玻璃復(fù)合襯底的摻鈉銅銦鎵砸太陽電池器件及其制備。
【背景技術(shù)】
[0002]銅銦鎵砸材料(CIGS)屬于1-1I1-VI族四元化合物半導(dǎo)體，具有黃銅礦的晶體結(jié)構(gòu)。銅銦鎵砸薄膜太能電池自20世紀(jì)70年代出現(xiàn)以來，得到非常迅速的發(fā)展，并將逐步實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。此電池有以下特點:①銅銦鎵砸的禁帶寬度可以在1.04ev-l.67ev范圍內(nèi)調(diào)整。②銅銦鎵砸是一種直接帶隙半導(dǎo)體，對可見光的吸收系數(shù)高達(dá)15Cm'銅銦鎵砸吸收層厚度只需1.5?2.5 μm，整個電池的厚度為3?4 μπι。③抗福照能力強(qiáng)，比較適合作為空間電源。④轉(zhuǎn)換效率高。2010年德國太陽能和氫能研宄中心(ZSW)研制的小面積銅銦鎵砸太陽電池轉(zhuǎn)換效率已高達(dá)20.3%。⑤弱光特性好。因此銅銦鎵砸多晶薄膜太陽電池有望成為下一代太陽電池的主流產(chǎn)品之一。
[0003]航空航天領(lǐng)域需要太陽電池有較高的質(zhì)量比功率，即希望單位質(zhì)量的太陽電池能發(fā)出更多的電量。對于地面光伏建筑物的曲面造型和移動式的光伏電站等要求太陽電池具有柔性、可折疊性和不怕摔碰，這就促進(jìn)了柔性太陽電池的發(fā)展。由于相對較強(qiáng)的耐高溫能力和較為適合的膨脹系數(shù)，聚酰亞胺(PI)在其中脫穎而出。
[0004]然而聚酰亞胺的熱膨脹系數(shù)還是無法與銅銦鎵砸材料本身很好的匹配。在溫度較高時，聚酰亞胺會產(chǎn)生較大的形變，導(dǎo)致銅銦鎵砸薄膜較為疏松，容易脫落。所以，目前基于聚酰亞胺襯底的銅銦鎵砸制備時襯底溫度較低。從而導(dǎo)致生長出的薄膜結(jié)晶質(zhì)量較差，晶粒細(xì)小，缺陷較多，增加了載流子的復(fù)合，縮短了少子的壽命，進(jìn)而影響了電池性能。
[0005]銅銦鎵砸薄膜中摻入適量的鈉(Na)可使銅銦鎵砸太陽電池的性能提高30-50%。在傳統(tǒng)蘇打玻璃襯底的銅銦鎵砸太陽電池的制備中，鈉可由襯底向銅銦鎵砸吸收層自發(fā)擴(kuò)散而實現(xiàn)Na的摻雜。但是由于聚酰亞胺膜中不含有鈉元素，并且其高分子的結(jié)構(gòu)阻止復(fù)合襯底中鈉進(jìn)入銅銦鎵砸吸收層。因此，向基于聚酰亞胺膜-蘇打玻璃復(fù)合襯底的銅銦鎵砸吸收層薄膜中摻入鈉就變得極為重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]有鑒于此，為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種基于聚酰亞胺膜-蘇打玻璃復(fù)合襯底的摻鈉銅銦鎵砸太陽電池器件及其制備方案，首先將聚酰亞胺膠涂于蘇打玻璃表面，固化成聚酰亞胺膜-蘇打玻璃復(fù)合襯底，其次在其表面依次制備背接觸層、銅銦鎵砸吸收層、氟化鈉預(yù)制層、硫化鎘緩沖層、透明窗口層和上電極，在完整的銅銦鎵砸太陽電池制備完成后，將其與蘇打玻璃襯底分離，得到以聚酰亞胺膜為襯底的柔性銅銦鎵砸太陽電池。其核心特點為:以鋼性襯底制備柔性電池。此種基于聚酰亞胺膜-蘇打玻璃復(fù)合襯底的銅銦鎵砸薄膜附著性優(yōu)秀，結(jié)晶質(zhì)量好，晶粒大，缺陷少。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案:
[0008]一種基于聚酰亞胺膜-蘇打玻璃復(fù)合襯底的摻鈉銅銦鎵砸太陽電池器件，其特征在于:其襯底由蘇打玻璃及生長于其表面的聚酰亞胺膜構(gòu)成，其中蘇打玻璃的厚度為1.5-2mm，聚酰亞胺膜厚度為25-30 μ m，采用勻膠、固化制備工藝；鉬背接觸層生長于聚酰亞胺膜-蘇打玻璃復(fù)合襯底之上，分為高阻層和低阻層，其中高阻層的厚度為80-120nm，低阻層的厚度為600-700nm，采用直流磁控濺射系統(tǒng)制備；銅銦鎵砸吸收層生長于氟化鈉預(yù)制層薄膜之上，化學(xué)分子式為CuIrvxGaxSe2,式中x為0.25-0.35，導(dǎo)電類型為P型，厚度為1.5-2 μ m，采用砸化爐薄膜制備系統(tǒng)，應(yīng)用共蒸發(fā)改進(jìn)型一步法制備工藝；氟化鈉預(yù)制層薄膜生長于銅銦鎵砸吸收層之上，化學(xué)分子式為NaF，厚度為20-30nm，采用砸化爐薄膜制備系統(tǒng)，應(yīng)用共蒸發(fā)制備工藝；硫化鎘緩沖層生長于銅銦鎵砸吸收層表面，化學(xué)分子式為CdS，導(dǎo)電類型為η型，厚度為45-50nm，采用化學(xué)水浴法制備工藝；透明窗口層生長于硫化鎘緩沖層之上，分為高阻本征氧化鋅薄膜和低阻氧化鋅鋁薄膜，導(dǎo)電類型為η型，其中本征氧化鋅薄膜的厚度為50-100nm，氧化鋅鋁薄膜的厚度為0.4-0.6 μ m，分別采用射頻磁控濺射制備系統(tǒng)和直流磁控濺射制備系統(tǒng)制備；鋁上電極薄膜生長于透明窗口層之上，其后為為0.8-1.5 μm，米用共蒸發(fā)制備系統(tǒng)制備。
[0009]聚酰亞胺膜-蘇打玻璃復(fù)合襯底的制備步驟如下:
[0010]I)對蘇打玻璃進(jìn)行表面清理；
[0011]2)將聚酰亞胺膠涂覆于蘇打玻璃表面，采用勻膠工藝進(jìn)行勻膠；
[0012]3)將勻膠后的樣品放入烘箱內(nèi)進(jìn)行固化，即可得到聚酰亞胺膜-蘇打玻璃復(fù)合襯底。
[0013]所述對蘇打玻璃表面清洗方法為:①將1cmX 1cm的蘇打玻璃放入重鉻酸鉀溶液(由300克重鉻酸鉀、3升濃硫酸和300毫升去離子水配置而成的溶液)中浸泡2h ;②之后將蘇打玻璃取出用去離子水沖洗將沖洗潔凈的蘇打玻璃置于濃度為99.5%的丙酮溶液中，放入超聲波清洗機(jī)中清洗(超聲波頻率為20-30kHz，時間為20-25min)④將蘇打玻璃從丙酮溶液中取出，用去離子水沖洗；⑤將蘇打玻璃置于濃度為99.7%的酒精中，放入超聲波清洗機(jī)中清洗(超聲波頻率為20-30kHz，時間為20-25min);⑥最后將蘇打玻璃從酒精中取出，放入盛有去離子水的燒杯中，放入超聲波清洗機(jī)中清洗3遍(超聲波頻率為20-30kHz，時間為 20-25min)。
[0014]所述勻膠工藝的工藝參數(shù)為:轉(zhuǎn)速為1300-1500r/min，時間為35_45s。
[0015]所述固化工藝參數(shù)為:①烘箱溫度于室溫25°C升溫至125-135?，升溫時間為10_15min ;②烘箱溫度于125-135 °C維持25_30min ;③烘箱溫度于125-135 °C升溫至150-160 °C，升溫時間為5-10min ;④烘箱溫度于150-160 °C維持10_15min 烘箱溫度于150-160°C升溫至200-210°C，升溫時間為5_10min ;⑥烘箱溫度于200-210°C維持15-20min ;⑦烘箱溫度于200-210 °C升溫至250-260 °C，升溫時間為5_10min 烘箱溫度于250-260°C維持15-20min ;⑨烘箱溫度于250-260 °C升溫至340-350 °C，升溫時間為5-10min ;⑩烘箱溫度于340_350°C維持10_15min，之后緩慢降溫至室溫。
[0016]鉬背接觸層的制備步驟如下:
[0017]在直流磁控濺射沉積系統(tǒng)的沉積室中，以純度為99.99%的Mo為靶材，采用射頻磁控濺射制備系統(tǒng)在襯底表面分別沉積一層高阻和低阻的鉬薄膜。
[0018]所述在襯底表面沉積一層高阻薄膜的工藝參數(shù)為:本底真空:3.0X10_4Pa，工作氣壓為l_2Pa，襯底溫度為室溫25-50°C，射頻功率為500_700W，Ar氣流量為30-50sccm，基靶行走速度為4-6mm/s，沉積時間(基靶的往復(fù)次數(shù))為2_4次。
[0019]所述在襯底表面沉積一層低阻薄膜的工藝參數(shù)為:工作氣壓為0_0.5Pa，襯底溫度為室溫25-50 °C，射頻功率為1500-2000W，Ar氣流量為15-20sccm，基靶行走速度為
4-6mm/s，沉積時間(基靶的往復(fù)次數(shù))為4_6次。
[0020]銅銦鎵砸吸收層薄膜的制備步驟如下:
[0021]I)本底真空為3.0\10-4?&，襯底溫度為350-400°0，共蒸發(fā)111、6&、36高6&含量預(yù)制層，其中In蒸發(fā)源溫度為820-850°C，Ga蒸發(fā)源溫度為920-950°C，Se蒸發(fā)源溫度為240-280°C，蒸發(fā)時間為 2-3min，控制原子比例 In: Ga = 0.3: 0.7，(In+Ga)/Se = 2: 3 ；
[0022]2)襯底溫度為550-580 °C，共蒸發(fā)Cu、In、Ga、Se，其中Cu蒸發(fā)源溫度為1120-1160°C，In蒸發(fā)源溫度為850-900°C，Ga蒸發(fā)源溫度為880_920°C，Se蒸發(fā)源溫度為240-280 °C，蒸發(fā)時間為 25-30min ；
[0023]3)將襯底冷卻，當(dāng)蒸發(fā)Se的同時將襯底冷卻到350°C時的襯底溫度時，關(guān)閉Se蒸發(fā)源，再將襯底冷卻到室溫。
[0024]氟化鈉預(yù)置層薄膜的制備步驟如下:
[0025]I)本底真空為8.0X10_4Pa，襯底溫度為200-300°C，共蒸發(fā)NaF預(yù)置層，其中NaF蒸發(fā)源的溫度為800-850°C，蒸發(fā)時間為l-2min。
[0026]2)襯底溫度為400_450°C，在Se氣氛下進(jìn)行退火，其中Se蒸發(fā)源的溫度為240-280 0C，退火時間為 20-30min。
[0027]硫化鎘緩沖層的制備步驟如下:
[0028]I)配置溶液，制備硫脲SC (NH2) 2溶液1L，濃度為0.01mol/L ;醋酸鎘(CH 3C00) 2Cd和醋酸氨CH3COONHJg合溶液1L，其中醋酸鎘溶液濃度為0.001mol/L,醋酸氨溶度為0.003mol/L ;氨水 NH3.H2O 溶度為 1.3X l(T3mol/L。
[0029]2)配置反應(yīng)溶液1L，取第一步中所配置的各種溶液；其中硫脲溶液25mL，醋酸鎘和醋酸氨混合溶液25mL，氨水溶液4滴。攪拌均勻。
[0030]3)將樣品放入燒杯中，并將燒杯放入水浴鍋內(nèi)。水浴溫度設(shè)置為78-80°C，制備時間為 50-60min。
[0031]4)制備完成后，將樣品用去離子水沖洗干凈。