專利名稱：銅銦鎵硒太陽(yáng)能電池裝置及其制備方法
銅銦鎵硒太陽(yáng)能電池裝置及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽(yáng)能電池領(lǐng)域，尤其涉及一種銅銦鎵硒太陽(yáng)能電池裝置及其制備方法。
背景技術(shù)：
銅銦鎵硒(CIGQ薄膜光伏電池具有低成本、高效率、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，是公認(rèn)的最具有發(fā)展和市場(chǎng)潛力的第二代太陽(yáng)能電池。人們對(duì)其研究興起于上個(gè)世紀(jì)八十年代初， 經(jīng)過(guò)三十多年發(fā)展，CIGS薄膜太陽(yáng)能電池的理論研究以及制備工藝取得了可喜的成果。 CIGS薄膜太陽(yáng)能電池的最高實(shí)驗(yàn)室光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到20.3%，是目前轉(zhuǎn)化效率最高的薄膜光伏電池。傳統(tǒng)的CIGS薄膜光伏電池普遍采用SiO Al透明電極作為窗口層，由于SiO: Al薄膜具有較高的載流子濃度(102° IO21CnT3)，使得薄膜在近紅外波段具有較高的自由載流子吸收，此部分的光損耗，降低了電池的有效光利用率，最終降低了電池性能。盡管研究工作者通過(guò)對(duì)薄膜工藝進(jìn)行改善，降低Al的濃度同時(shí)進(jìn)行摻H處理，或者對(duì)窗口層進(jìn)行絨面處理形成陷光結(jié)構(gòu)，但是這些方法并不能完全避免窗口層薄膜在近紅外波段的吸收損耗，而且使電池的制備工藝更加繁瑣，不利于CIGS薄膜電池成本的降低。

發(fā)明內(nèi)容基于此，有必要提供一種有效光利用率較高的銅銦鎵硒太陽(yáng)能電池裝置及其制備方法。一種銅銦鎵硒太陽(yáng)能電池裝置，包括依次層疊設(shè)置的襯底、背電極層、銅銦鎵硒光吸收層、緩沖層、阻擋層及導(dǎo)電窗口層，所述導(dǎo)電窗口層為η型的石墨烯薄膜。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述η型的石墨烯薄膜包括多層層疊設(shè)置的單層石墨烯。進(jìn)一步優(yōu)選的，所述多層是4層。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述襯底的材料為玻璃、不銹鋼或柔性聚合物；所述背電極層的材料為鉬；所述緩沖層的材料為硫化鎘；所述阻擋層的材料為i-aio。一種銅銦鎵硒太陽(yáng)能電池裝置的制備方法，包括如下步驟在襯底上制備依次層疊設(shè)置的背電極層、銅銦鎵硒光吸收層、緩沖層及阻擋層；在所述阻擋層表面粘合石墨烯薄膜；對(duì)所述石墨烯薄膜處理形成η型的石墨烯薄膜作為導(dǎo)電窗口層；及對(duì)所述η型的石墨烯薄膜與所述阻擋層之間進(jìn)行鍵合處理，得到所述銅銦鎵硒太陽(yáng)能電池。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，在襯底上制備依次層疊設(shè)置的背電極層、銅銦鎵硒光吸收層、緩沖層及阻擋層包括如下步驟使用磁控濺射鉬金屬靶材沉積得到鉬金屬層作為背電極層；使用磁控濺射硒化或者四源共蒸發(fā)工藝制備銅銦鎵硒光吸收層；使用化學(xué)水浴法沉積硫化鎘得到硫化鎘層作為緩沖層；使用射頻磁控濺射氧化鋅陶瓷靶材沉積i-ZnO高阻層作為阻擋層，其中，所述射頻磁控濺射氧化鋅陶瓷靶材過(guò)程中功率密度為0. 5 0. 8ff/cm2, 濺射時(shí)間為IOmin 15min，氣流體積比Ar O2為10 1。
在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述石墨烯薄膜為單層石墨烯，所述在阻擋層表面粘合石墨烯薄膜包括如下步驟用化學(xué)氣相沉積法在金屬基底上制備單層石墨烯；在所述單層石墨烯表面涂覆一層樹(shù)脂載體；腐蝕去除所述金屬基底，洗凈后得到粘有樹(shù)脂載體的所述單層石墨烯；將粘有樹(shù)脂載體的單層石墨烯貼附在所述阻擋層表面；以及溶解去除樹(shù)脂載體。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述石墨烯薄膜為多層層疊設(shè)置的單層石墨烯，所述在阻擋層表面粘合石墨烯薄膜包括如下步驟用化學(xué)氣相沉積法在金屬基底上制備單層石墨烯；在所述單層石墨烯表面涂覆一層樹(shù)脂載體；腐蝕去除所述金屬基底，洗凈后得到粘有樹(shù)脂載體的所述單層石墨烯；將粘有樹(shù)脂載體的單層石墨烯貼附在所述阻擋層表面；溶解去除樹(shù)脂載體；以及重復(fù)上述步驟將多層的單層石墨烯貼附在所述阻擋層表面。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述用化學(xué)氣相沉積法在金屬基底上制備單層石墨烯薄膜包括如下步驟室溫下，將清洗后的金屬基底放入化學(xué)氣相沉積爐中，抽真空后通入氫氣， 并調(diào)節(jié)氫氣流量至爐中氣壓為250 350毫托；升溫至900 1000°C，將所述金屬基底在氫氣氛圍下退火20 30分鐘；向爐中通入甲烷，調(diào)節(jié)甲烷流量為lOsccm，并控制氫氣流量為kccm，保持加熱溫度不變，反應(yīng)25 35分鐘后降溫至室溫，取出金屬基底，所述金屬基底表面即沉積有單層石墨烯。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，對(duì)所述石墨烯薄膜處理形成η型的石墨烯薄膜的步驟包括將前步驟制得的結(jié)構(gòu)置于體積濃度為20% 99%的乙醇水溶液中浸泡或者其蒸汽中浸沒(méi)處理10 15分鐘，或者將前步驟制得的結(jié)構(gòu)置于體積濃度為5% 35%的氨水中浸泡或者其蒸汽中浸沒(méi)處理10 15分鐘，最后通入氮?dú)獯蹈?，?duì)石墨烯薄膜進(jìn)行η型摻雜。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述對(duì)η型的石墨烯薄膜與阻擋層之間進(jìn)行鍵合處理包括如下步驟將制得包含η型的石墨烯薄膜和阻擋層的結(jié)構(gòu)置于真空度為10_3 10_6pa的真空環(huán)境中，通入乙醇蒸汽，維持氣壓在0. OlPa 0. lPa，再在所述石墨烯薄膜的表面均勻施加5 10個(gè)大氣壓，維持壓力10分鐘 10小時(shí)。石墨烯薄膜的方塊電阻可以達(dá)到30 Ω / □，且?guī)缀跏峭该鞯模∧ぴ诳梢?jiàn)光和近紅外波段的透過(guò)率高達(dá)97.4%。因此石墨烯薄膜作為CIGS太陽(yáng)能電池裝置的導(dǎo)電窗口層， 除了比傳統(tǒng)導(dǎo)電窗口層&ιθ:Α 薄膜具有更低方塊電阻外，還可以避免&ιθ:Α 薄膜導(dǎo)致的近紅外光波段的損耗，提高電池對(duì)光的利用率，進(jìn)而優(yōu)化電池性能。對(duì)于相同的方塊電阻， 所需石墨烯薄膜的厚度遠(yuǎn)小于aiO:Ai薄膜的厚度，并且由于制備石墨烯薄膜所用的碳原料自然界中來(lái)源廣泛，因此用石墨烯作為電池的導(dǎo)電窗口層材料可以大大降低導(dǎo)電窗口層的制備成本，最終降低電池的總成本。此外，相比較傳統(tǒng)的aiO:Ai薄膜在高強(qiáng)度拉應(yīng)力下容易破裂，石墨烯薄膜的柔韌性好，更適用于大面積柔性薄膜電池。具有新型透明導(dǎo)電窗口層的CIGS太陽(yáng)能電池裝置制備工藝建立在現(xiàn)有電池的制備工藝基礎(chǔ)上，導(dǎo)電窗口層不需要濺射工藝，只需直接覆蓋在電池結(jié)構(gòu)中，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的鍵合處理，層與層間通過(guò)范德華力緊密結(jié)合起來(lái)，工藝簡(jiǎn)化，經(jīng)濟(jì)有效。

圖1為一實(shí)施方式的CIGS太陽(yáng)能電池裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為一實(shí)施方式的CIGS太陽(yáng)能電池裝置的制備流程示意5
圖3為實(shí)施例1中石墨烯薄膜與阻擋層接觸界面性質(zhì)測(cè)量示意圖；圖4為實(shí)施例1中石墨烯薄膜與阻擋層接觸界面性質(zhì)的電流電壓(I-V)圖，其中橫坐標(biāo)為電壓(Voltage，單位V)，縱坐標(biāo)為電流(Current，單位A)；圖5為實(shí)施例1制得的CIGS薄膜型太陽(yáng)能電池裝置性能AMPS-ID軟件模擬結(jié)果圖。
具體實(shí)施方式下面主要結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)銅銦鎵硒太陽(yáng)能電池裝置及其制備方法作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。如圖1所示，一實(shí)施方式的銅銦鎵硒太陽(yáng)能電池裝置100，主要包括依次層疊設(shè)置的襯底110、背電極層120、銅銦鎵硒光吸收層130、緩沖層140、阻擋層150及導(dǎo)電窗口層 160。此外，還包括設(shè)于導(dǎo)電窗口層160上的減反膜層170柵電極180，柵電極180穿過(guò)所述減反膜層170。襯底110的材料可以為玻璃、不銹鋼或者柔性聚合物(如聚酰亞胺(PI)柔性聚合物)等。背電極層120的材料優(yōu)選鉬。緩沖層140的材料優(yōu)選硫化鎘(CdS)。阻擋層150 優(yōu)選i-ZnO高阻層。減反膜層170的材料優(yōu)選氟化鎂，柵電極180優(yōu)選Ni/Al電極。可以理解，減反膜層170和柵電極180也可省略。本實(shí)施方式的導(dǎo)電窗口層160為η型的石墨烯薄膜。優(yōu)選的，該石墨烯薄膜可以由單層或多層依次層疊設(shè)置的單層石墨烯構(gòu)成，進(jìn)一步優(yōu)選由4層單層石墨烯構(gòu)成。單層石墨烯層疊設(shè)置在阻擋層150之上。單層石墨烯的方塊電阻可以達(dá)到30Ω/ □，通過(guò)疊層后方塊電阻隨層數(shù)變化呈線性遞減，石墨烯薄膜幾乎是透明的，而且單層薄膜只吸收2. 3%的光，薄膜在可見(jiàn)光和近紅外波段的透過(guò)率高達(dá)97.4%。因此石墨烯薄膜作為CIGS太陽(yáng)能電池的導(dǎo)電窗口層，除了比傳統(tǒng)導(dǎo)電窗口層&ιθ:Α 薄膜具有更低方塊電阻外，還可以避免&ιθ:Α 薄膜導(dǎo)致的近紅外光波段的損耗，提高電池對(duì)光的利用率，進(jìn)而優(yōu)化電池性能。同時(shí)，疊層的石墨烯薄膜導(dǎo)電窗口層具有電阻和透過(guò)率可控等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于相同的方塊電阻，所需石墨烯薄膜的厚度遠(yuǎn)小于&ι0:Α1薄膜的厚度，并且由于制備石墨烯薄膜所用的碳原料自然界中來(lái)源廣泛，因此用石墨烯作為電池的導(dǎo)電窗口層材料可以大大降低導(dǎo)電窗口層的制備成本，最終降低電池的總成本。此外，相比較傳統(tǒng)的&ι0:Α1薄膜在高強(qiáng)度拉應(yīng)力下容易破裂，石墨烯薄膜的柔韌性好，更適用于大面積柔性薄膜電池。一實(shí)施方式的銅銦鎵硒太陽(yáng)能電池裝置的制備方法，如圖2所示，包括如下步驟步驟Sl 在襯底上制備依次層疊設(shè)置的背電極層、銅銦鎵硒光吸收層、緩沖層及阻擋層。襯底可以為玻璃、不銹鋼或者聚合物柔性襯底等。背電極層優(yōu)選鉬金屬層。緩沖層優(yōu)選CdS層。阻擋層優(yōu)選i-ZnO高阻層。使用但不局限于磁控濺射鉬金屬靶材沉積鉬背電極層；使用但不局限于磁控濺射硒化或者四源共蒸發(fā)工藝制備CIGS光吸收層，沉積的吸收層厚度約為2 μ m ；使用但不局限于化學(xué)水浴法沉積CdS或者其他可替代CdS的材料作為緩沖層。使用但不局限于用射頻磁控濺射氧化鋅陶瓷靶材沉積i-ZnO高阻層。此外，為了避免i-ZnO層表面粗糙度太大，導(dǎo)致i-ZnO薄膜與后續(xù)石墨烯薄膜形成點(diǎn)接觸而產(chǎn)生較大的接觸阻抗，工藝中盡量選用功率密度較小的條件下沉積i-ZnO高阻層，以獲得表面粗糙度較小的i-ZnO層。實(shí)驗(yàn)中優(yōu)選的功率密度為0. 5 0. 8W/cm2，濺射時(shí)間為IOmin 15min，氣流比Ar O2 = 10 1，厚度約為50nm 60nm，表面粗糙度約為 5 8nm。但i_Zn0高阻層的表面粗糙度也不能太小，以免導(dǎo)致i_Zn0高阻層表面太光滑導(dǎo)致光反射增大。步驟S2 在阻擋層表面粘合石墨烯薄膜，具體包括如下步驟步驟S21，用化學(xué)氣相沉積法(CVD)在金屬基底上制備單層石墨烯高溫條件下， 通過(guò)化學(xué)氣相沉積法，在碳源氣體、H2或H2與Ar的混合氣體氛圍中，以金屬基底為催化劑制備低方塊電阻、高透過(guò)率的單層石墨烯。例如可以通過(guò)下述步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)將清洗后的Cu片放入CVD爐中，開(kāi)機(jī)械泵，抽氣至本底真空(約十幾個(gè)毫托)；調(diào)節(jié)流量計(jì)通入一定量H2，如20sCCm，并調(diào)節(jié)氣壓調(diào)節(jié)閥， 維持腔體氣壓約300mTorr ；緊接升溫至900 100(TC，在此溫度下高溫氫氣退火約20 30min ；此時(shí)打開(kāi)CH4流量控制，使流量為lOsccm，調(diào)節(jié)H2流量為kccm，此時(shí)工作氣壓約為 350mTorr,保持加熱溫度不變，整個(gè)過(guò)程持續(xù)約30min ；結(jié)束后降溫，取出Cu基底，該Cu基底上即沉積有單層石墨烯。步驟S22 在單層石墨烯表面涂覆樹(shù)脂載體通過(guò)旋轉(zhuǎn)涂覆法在單層石墨烯表面涂覆一層樹(shù)脂載體，如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等。優(yōu)選的，還包括在涂覆樹(shù)脂載體之后將金屬基底無(wú)膠的一面置于等離子清洗器中處理的步驟，以去除背面無(wú)用的石墨烯。步驟S23 腐蝕去除金屬基底，洗凈后得到粘有樹(shù)脂載體的單層石墨烯將涂有樹(shù)脂載體的單層石墨烯連通金屬基底放在一定濃度的強(qiáng)氧化性金屬鹽溶液中，通過(guò)氧化還原腐蝕掉單層石墨烯上的金屬基底。如金屬基底為Cu基底時(shí)，可以選用FeCl3溶液腐蝕去除 Cu基底。最后用鹽酸和去離子水清洗涂有樹(shù)脂載體的單層石墨烯若干次。步驟S24 將粘有樹(shù)脂載體的單層石墨烯貼附在阻擋層表面將含有樹(shù)脂載體的單層石墨烯貼附在上述制得的阻擋層表面，再將得到的結(jié)構(gòu)置于丙酮等溶劑中除去樹(shù)脂載體，最后置于去離子水中清洗2 3次，以除去殘留的丙酮溶液。對(duì)于設(shè)置多層單層石墨烯作為光吸收層的CIGS太陽(yáng)能電池，可以重復(fù)上述S21 S24步驟，以得到所需層數(shù)的CIGS太陽(yáng)能電池。步驟S3 對(duì)石墨烯薄膜處理形成η型的石墨烯薄膜作為導(dǎo)電窗口層。優(yōu)選的，可以將疊層結(jié)構(gòu)的石墨烯薄膜置于體積濃度為20% 99%的乙醇水溶液中浸泡或者其蒸汽中浸沒(méi)處理10 15分鐘，或者將制得的結(jié)構(gòu)置于體積濃度為5% 35%的氨水中浸泡或者其蒸汽中浸沒(méi)處理10 15分鐘，使石墨烯薄膜與阻擋層的接觸表面羥基化，形成氫鍵，從而增加石墨烯薄膜與阻擋層之間的粘附性，最后通入氮?dú)獯蹈伞⑹┍∧ぬ幚沓搔切?，可以增加載流子濃度，從而進(jìn)一步降低石墨烯薄膜的面電阻，從而降低所得CIGS太陽(yáng)能電池的串聯(lián)電阻，提高電池的轉(zhuǎn)換效率。步驟S4 對(duì)η型的石墨烯薄膜與阻擋層之間進(jìn)行鍵合處理，以增加石墨烯薄膜與阻擋層之間的表面粘附性，得到銅銦鎵硒太陽(yáng)能電池，具體如下
將制得的結(jié)構(gòu)置于半導(dǎo)體工藝的鍵合系統(tǒng)中，控制真空度在10_3 10_6pa，通入乙醇蒸汽維持氣壓在0. OlPa 0. IPa,再在石墨烯薄膜的表面均勻施加5 10個(gè)大氣壓力以增加石墨烯薄膜與阻擋層之間的氫鍵密度而增加二者表面的粘附性，維持壓力10分鐘 10小時(shí)。步驟S5 在石墨烯薄膜表面沉積柵電極和減反膜層。具有新型透明導(dǎo)電窗口層的CIGS太陽(yáng)能電池制備工藝建立在現(xiàn)有電池的制備工藝基礎(chǔ)上，導(dǎo)電窗口層不需要濺射工藝，只需直接覆蓋在電池結(jié)構(gòu)中，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的鍵合處理，層與層間通過(guò)范德華力緊密結(jié)合起來(lái)，工藝簡(jiǎn)化，經(jīng)濟(jì)有效。以下為具體實(shí)施例部分實(shí)施例1 1.以鈉鈣玻璃為襯底，襯底厚2mm ；用直流磁控濺射工藝濺射鉬金屬靶材沉積鉬金屬背電極層，厚度約為ι μ m ；用三步共蒸法沉積CIGS光吸收層，厚度為2 μ m ；用化學(xué)水浴法沉積CdS緩沖層，厚度約為50nm ；用射頻磁控濺射工藝濺射ZnO陶瓷靶材沉積i_ZnO高阻層，功率密度為0. 5W/cm2，濺射時(shí)間為15min，氣流比Ar O2 = 10 1，厚度約為50nm; 由此得到Mo/CIGS/CdS/i-ZnO結(jié)構(gòu)。2.用化學(xué)氣相沉積方法制備單層石墨烯。將清洗后的Cu片放入CVD爐中，打開(kāi)機(jī)械泵，抽氣至本底真空為3mTorr。調(diào)節(jié)流量計(jì)通入20sCCm H2，并調(diào)節(jié)氣壓調(diào)節(jié)閥，維持腔體氣壓約300mTorr。緊接升溫至1000°C，在此溫度下高溫氫氣退火約25min。此時(shí)打開(kāi) CH4流量控制，使流量為lOsccm，調(diào)節(jié)吐流量為kccm，此時(shí)工作氣壓約為350mTorr，保持加熱溫度不變，整個(gè)過(guò)程持續(xù)約30min。結(jié)束后降溫，取出樣品，即在Cu基底上制備出單層石墨煉。3.通過(guò)旋轉(zhuǎn)涂覆法在Cu基底上的單層石墨烯表面涂覆一層PMMA。將勻膠后的 Cu片無(wú)膠一面放入等離子清洗器中，用空氣plasma處理，去掉背面無(wú)用的石墨烯。將涂有 PMMA的石墨烯的Cu片放在溶液中，腐蝕掉Cu片，再用HCl和去離子水清洗若干次。然后將 PMMA支撐的單層石墨烯與Mo/CIGS/CdS/i-ZnO結(jié)構(gòu)基底貼附，放入在丙酮中去膠后用去離子水清洗2次，除去Mo/CIGS/CdS/i-ZnO結(jié)構(gòu)與石墨烯表面殘余的丙酮溶液。重復(fù)以上轉(zhuǎn)移步驟，將四層單層石墨烯依次疊層在Mo/CIGS/CdS/i-ZnO結(jié)構(gòu)上。4.然后將附著有疊層石墨烯結(jié)構(gòu)的Mo/CIGS/CdS/i-ZnO結(jié)構(gòu)在體積濃度為70% 乙醇水溶液中浸泡lOmin，使石墨烯薄膜與i-ZnO界面羥基化，形成氫鍵，同時(shí)石墨烯薄膜被摻雜為η型。最后將結(jié)合后的樣品放置在本底真空環(huán)境中，通入乙醇蒸汽維持工作氣壓0. 05 ，施加5個(gè)大氣壓，進(jìn)行5小時(shí)的鍵合。這樣疊層的石墨烯薄膜就與Mo/CIGS/ CdS/i-Zn0結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合在一起，構(gòu)造成新型的石墨烯透明導(dǎo)電窗口層的CIGS太陽(yáng)能電池
直ο實(shí)施例2 1.以不銹鋼為襯底，襯底厚0. 05mm ；用直流磁控濺射工藝濺射鉬金屬靶材沉積鉬金屬背電極層，厚度約為ι μ m ；用三步共蒸法沉積CIGS光吸收層，厚度為2 μ m ；用化學(xué)水浴法沉積CdS緩沖層，厚度約為50nm ；用射頻磁控濺射工藝濺射ZnO陶瓷靶材沉積i_Zn0高阻層，功率密度為0. 5W/cm2，濺射時(shí)間為15min，氣流比Ar O2 = 10 1，厚度約為50nm; 由此得到Mo/CIGS/CdS/i-ZnO結(jié)構(gòu)。
2.用化學(xué)氣相沉積方法制備單層石墨烯。將清洗后的Cu片放入CVD爐中，打開(kāi)機(jī)械泵，抽氣至本底真空為6mTorr。調(diào)節(jié)流量計(jì)通入20sCCm H2，并調(diào)節(jié)氣壓調(diào)節(jié)閥，維持腔體氣壓約300mTorr。緊接升溫至1000°C，在此溫度下高溫氫氣退火約25min。此時(shí)打開(kāi) CH4流量控制，使流量為lOsccm，調(diào)節(jié)吐流量為kccm，此時(shí)工作氣壓約為350mTorr，保持加熱溫度不變，整個(gè)過(guò)程持續(xù)約30min。結(jié)束后降溫，取出樣品，即在Cu基底上制備出單層石墨煉。3.通過(guò)旋轉(zhuǎn)涂覆法在Cu基底上的單層石墨烯涂覆一層PMMA。將勻膠后的Cu片無(wú)膠一面放入等離子清洗器中，用空氣plasma處理，去掉背面無(wú)用的石墨烯。將涂有PMMA 的石墨烯的Cu片放在溶液中，腐蝕掉Cu片，再用HCl和去離子水清洗若干次。然后將PMMA 支撐的單層石墨烯與Mo/CIGS/CdS/i-ZnO結(jié)構(gòu)基底貼附，放入在丙酮中去膠后用去離子水清洗2次，除去Mo/CIGS/CdS/i-ZnO結(jié)構(gòu)與石墨烯表面殘余的丙酮溶液。重復(fù)以上轉(zhuǎn)移步驟，將四層單層石墨烯依次疊層在Mo/CIGS/CdS/i-ZnO結(jié)構(gòu)上。4.然后將附著有疊層石墨烯結(jié)構(gòu)的Mo/CIGS/CdS/i-ZnO結(jié)構(gòu)在體積濃度為50% 乙醇水溶液的蒸汽中浸沒(méi)15min，使石墨烯薄膜與i-ZnO界面羥基化，形成氫鍵，同時(shí)石墨烯薄膜被摻雜為η型。最后將結(jié)合后的樣品放置在本底真空環(huán)境中，通入乙醇蒸汽維持工作氣壓0. 05Pa，施加5個(gè)大氣壓，進(jìn)行5小時(shí)的鍵合。這樣疊層的石墨烯薄膜就與 Mo/CIGS/CdS/i-ZnO結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合在一起，構(gòu)造成新型的石墨烯透明導(dǎo)電窗口層的CIGS太陽(yáng)能電池裝置。實(shí)施例3 1.以聚酰亞胺(PI)柔性聚合物為襯底，襯底厚25 μ m;用直流磁控濺射工藝濺射鉬金屬靶材沉積鉬金屬背電極層，厚度約為1 μ m ；用三步共蒸法沉積CIGS光吸收層，厚度為2 μ m ；用化學(xué)水浴法沉積CdS緩沖層，厚度約為50nm ；用射頻磁控濺射工藝濺射ZnO陶瓷靶材沉積i-ZnO高阻層，功率密度為0. 5W/cm2，濺射時(shí)間為15min，氣流比Ar O2 = 10 1, 厚度約為50nm ；由此得到Mo/CIGS/CdS/i-SiO結(jié)構(gòu)。2.用化學(xué)氣相沉積方法制備單層石墨烯。將清洗后的Cu片放入CVD爐中，打開(kāi)機(jī)械泵，抽氣至本底真空為2mTorr。調(diào)節(jié)流量計(jì)通入20sCCm H2，并調(diào)節(jié)氣壓調(diào)節(jié)閥，維持腔體氣壓約300mTorr。緊接升溫至1000°C，在此溫度下高溫氫氣退火約25min。此時(shí)打開(kāi) CH4流量控制，使流量為lOsccm，調(diào)節(jié)吐流量為kccm，此時(shí)工作氣壓約為350mTorr，保持加熱溫度不變，整個(gè)過(guò)程持續(xù)約30min。結(jié)束后降溫，取出樣品，即在Cu基底上制備出單層石墨煉。3.通過(guò)旋轉(zhuǎn)涂覆法在Cu基底上的石墨烯表面涂覆一層PMMA。將勻膠后的Cu片無(wú)膠一面放入等離子清洗器中，用空氣plasma處理，去掉背面無(wú)用的石墨烯。將涂有PMMA 的石墨烯的Cu片放在溶液中，腐蝕掉Cu片，再用HCl和去離子水清洗若干次。然后將PMMA 支撐的單層石墨烯與Mo/CIGS/CdS/i-ZnO結(jié)構(gòu)基底貼附，放入在丙酮中去膠后用去離子水清洗2次，除去Mo/CIGS/CdS/i-ZnO結(jié)構(gòu)與石墨烯表面殘余的丙酮溶液。4.然后將附著有單層石墨烯結(jié)構(gòu)的Mo/CIGS/CdS/i-ZnO結(jié)構(gòu)在體積濃度20%的氨水中浸泡lOmin，使石墨烯薄膜與i-ZnO界面羥基化，形成氫鍵，同時(shí)石墨烯薄膜被摻雜為η型。最后將結(jié)合后的樣品放置在本底真空環(huán)境中，通入乙醇蒸汽維持工作氣壓 0. lPa，施加5個(gè)大氣壓，進(jìn)行4小時(shí)的鍵合。這樣單層石墨烯就與Mo/CIGS/CdS/i-ZnO結(jié)
9構(gòu)緊密結(jié)合在一起，構(gòu)造成新型的透明導(dǎo)電窗口層CIGS薄膜太陽(yáng)能電池裝置。實(shí)施例4 1.以鈉鈣玻璃為襯底，襯底厚2mm ；用直流磁控濺射工藝濺射鉬金屬靶材沉積鉬金屬背電極層，厚度約為ι μ m ；用三步共蒸法沉積CIGS光吸收層，厚度為2 μ m ；用化學(xué)水浴法沉積CdS緩沖層，厚度約為50nm ；用射頻磁控濺射工藝濺射ZnO陶瓷靶材沉積i_ZnO高阻層，功率密度為0. 5W/cm2，濺射時(shí)間為15min，氣流比Ar O2 = 10 1，厚度約為50nm; 由此得到Mo/CIGS/CdS/i-ZnO結(jié)構(gòu)。2.用化學(xué)氣相沉積方法制備單層石墨烯。將清洗后的Cu片放入CVD爐中，打開(kāi)機(jī)械泵，抽氣至本底真空為5mTorr。調(diào)節(jié)流量計(jì)通入20sCCm H2，并調(diào)節(jié)氣壓調(diào)節(jié)閥，維持腔體氣壓約300mTorr。緊接升溫至1000°C，在此溫度下高溫氫氣退火約25min。此時(shí)打開(kāi) CH4流量控制，使流量為lOsccm，調(diào)節(jié)吐流量為kccm，此時(shí)工作氣壓約為350mTorr，保持加熱溫度不變，整個(gè)過(guò)程持續(xù)約30min。結(jié)束后降溫，取出樣品，即在Cu基底上制備出單層石墨煉。3.通過(guò)旋轉(zhuǎn)涂覆法在Cu基底上的石墨烯表面涂覆一層PMMA。將勻膠后的Cu片無(wú)膠一面放入等離子清洗器中，用空氣plasma處理，去掉背面無(wú)用的石墨烯。將涂有PMMA 的石墨烯的Cu片放在溶液中，腐蝕掉Cu片，再用HCl和去離子水清洗若干次。然后將PMMA 支撐的單層石墨烯與Mo/CIGS/CdS/i-ZnO結(jié)構(gòu)基底貼附，放入在丙酮中去膠后用去離子水清洗2次，除去Mo/CIGS/CdS/i-ZnO結(jié)構(gòu)與石墨烯表面殘余的丙酮溶液。重復(fù)以上轉(zhuǎn)移步驟，將四層單層石墨烯依次疊層在Mo/CIGS/CdS/i-ZnO結(jié)構(gòu)上。4.然后將附著有疊層石墨烯結(jié)構(gòu)的Mo/CIGS/CdS/i-ZnO結(jié)構(gòu)在體積濃度35%的氨水蒸汽中浸沒(méi)15min，使石墨烯薄膜與i-ZnO界面羥基化，形成氫鍵，同時(shí)石墨烯薄膜被摻雜為η型。最后將結(jié)合后的樣品放置在本底真空環(huán)境中，通入乙醇蒸汽維持工作氣壓0. lPa，施加5個(gè)大氣壓，進(jìn)行4小時(shí)的鍵合。這樣疊層的石墨烯薄膜就與Mo/CIGS/CdS/ i-ZnO結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合在一起，構(gòu)造成新型的透明導(dǎo)電窗口層CIGS薄膜太陽(yáng)能電池裝置。為研究石墨烯薄膜與i-ZnO高阻層的接觸界面，通過(guò)對(duì)實(shí)施例1的太陽(yáng)能電池裝置在石墨烯和i-aio層兩面濺射或者蒸發(fā)沉積電極，進(jìn)行ι-ν測(cè)量，實(shí)驗(yàn)實(shí)施圖及結(jié)果見(jiàn)圖 3和圖4。測(cè)量結(jié)果表明，石墨烯薄膜與i-ZnO高阻層之間的接觸為歐姆接觸。不存在形成反型PN結(jié)或者肖特基結(jié)，因而驗(yàn)證了石墨烯能夠應(yīng)用于CIGS太陽(yáng)能電池裝置中。通過(guò)用太陽(yáng)能電池裝置軟件AMPS-ID對(duì)該新型窗口層CIGS電池裝置性能模擬，初步的模擬結(jié)果顯示得到的電池裝置光電轉(zhuǎn)換效率為12. 25%，短路電流為27. 669mA/cm2，開(kāi)路電壓為578mV，填充因子為0.765。見(jiàn)附圖5。由模擬結(jié)果可見(jiàn)，石墨烯窗口層可以與CIGS結(jié)構(gòu)匹配起來(lái)并且能夠達(dá)到較高的效率，另外，通過(guò)優(yōu)化電池裝置其他薄膜層的參數(shù)，還可以進(jìn)一步優(yōu)化電池裝置的性能，提高電池裝置的轉(zhuǎn)換效率。由此可見(jiàn)，以石墨烯薄膜作為導(dǎo)電窗口層的CIGS 太陽(yáng)能電池裝置確實(shí)、有效、可行。其中，上述用到的太陽(yáng)能電池軟件AMPS-ID是一款由賓夕法尼亞州立大學(xué)開(kāi)發(fā)的器件光電性能數(shù)值模擬軟件。其基于泊松方程、電子和空穴連續(xù)性方程，可用以研究所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)元件的器件物理以及預(yù)期改變材料參數(shù)以及元件結(jié)構(gòu)之后，對(duì)整體性能造成的影響。用AMPS-ID軟件數(shù)值模擬銅銦鎵硒太陽(yáng)能電池裝置，通過(guò)輸入電池結(jié)構(gòu)中石墨烯薄膜、 i-SiO層、緩沖層、銅銦鎵硒光吸收層等材料參數(shù)，用以模擬電池裝置性能。
以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對(duì)本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種銅銦鎵硒太陽(yáng)能電池裝置，包括依次層疊設(shè)置的襯底、背電極層、銅銦鎵硒光吸收層、緩沖層、阻擋層及導(dǎo)電窗口層，其特征在于，所述導(dǎo)電窗口層為η型的石墨烯薄膜。
2.如權(quán)利要求1所述的銅銦鎵硒太陽(yáng)能電池裝置，其特征在于，所述η型的石墨烯薄膜包括多層層疊設(shè)置的單層石墨烯。
3.如權(quán)利要求2所述的銅銦鎵硒太陽(yáng)能電池裝置，其特征在于，所述多層是4層。
4.如權(quán)利要求1所述的銅銦鎵硒太陽(yáng)能電池裝置，其特征在于，所述襯底的材料為玻璃、不銹鋼或柔性聚合物；所述背電極層的材料為鉬；所述緩沖層的材料為硫化鎘；所述阻擋層的材料為i-aio。
5.一種銅銦鎵硒太陽(yáng)能電池裝置的制備方法，其特征在于，包括如下步驟 在襯底上制備依次層疊設(shè)置的背電極層、銅銦鎵硒光吸收層、緩沖層及阻擋層； 在所述阻擋層表面粘合石墨烯薄膜；對(duì)所述石墨烯薄膜處理形成η型的石墨烯薄膜作為導(dǎo)電窗口層；及對(duì)所述η型的石墨烯薄膜與所述阻擋層之間進(jìn)行鍵合處理，得到所述銅銦鎵硒太陽(yáng)能電池。
6.如權(quán)利要求5所述的銅銦鎵硒太陽(yáng)能電池裝置，其特征在于，在襯底上制備依次層疊設(shè)置的背電極層、銅銦鎵硒光吸收層、緩沖層及阻擋層包括如下步驟使用磁控濺射鉬金屬靶材沉積得到鉬金屬層作為背電極層；使用磁控濺射硒化或者四源共蒸發(fā)工藝制備銅銦鎵硒光吸收層；使用化學(xué)水浴法沉積硫化鎘得到硫化鎘層作為緩沖層；使用射頻磁控濺射氧化鋅陶瓷靶材沉積i-ZnO高阻層作為阻擋層，其中，所述射頻磁控濺射氧化鋅陶瓷靶材過(guò)程中功率密度為0. 5 0. 8ff/cm2,濺射時(shí)間為IOmin 15min，氣流體積比Ar O2為 10 1。
7.如權(quán)利要求5所述的銅銦鎵硒太陽(yáng)能電池裝置的制備方法，其特征在于，所述石墨烯薄膜為單層石墨烯，所述在阻擋層表面粘合石墨烯薄膜包括如下步驟用化學(xué)氣相沉積法在金屬基底上制備單層石墨烯； 在所述單層石墨烯表面涂覆一層樹(shù)脂載體；腐蝕去除所述金屬基底，洗凈后得到粘有樹(shù)脂載體的所述單層石墨烯； 將粘有樹(shù)脂載體的單層石墨烯貼附在所述阻擋層表面； 以及溶解去除樹(shù)脂載體。
8.如權(quán)利要求5所述的銅銦鎵硒太陽(yáng)能電池裝置的制備方法，其特征在于，所述石墨烯薄膜為多層層疊設(shè)置的單層石墨烯，所述在阻擋層表面粘合石墨烯薄膜包括如下步驟用化學(xué)氣相沉積法在金屬基底上制備單層石墨烯； 在所述單層石墨烯表面涂覆一層樹(shù)脂載體；腐蝕去除所述金屬基底，洗凈后得到粘有樹(shù)脂載體的所述單層石墨烯； 將粘有樹(shù)脂載體的單層石墨烯貼附在所述阻擋層表面； 溶解去除樹(shù)脂載體；以及重復(fù)上述步驟將多層的單層石墨烯貼附在所述阻擋層表面。
9.如權(quán)利要求7或8所述的銅銦鎵硒太陽(yáng)能電池裝置的制備方法，其特征在于，所述用化學(xué)氣相沉積法在金屬基底上制備單層石墨烯薄膜包括如下步驟室溫下，將清洗后的金屬基底放入化學(xué)氣相沉積爐中，抽真空后通入氫氣，并調(diào)節(jié)氫氣流量至爐中氣壓為250 350毫托；升溫至900 1000°C，將所述金屬基底在氫氣氛圍下退火20 30分鐘； 向爐中通入甲烷，調(diào)節(jié)甲烷流量為lOsccm，并控制氫氣流量為kccm，保持加熱溫度不變，反應(yīng)25 35分鐘后降溫至室溫，取出金屬基底，所述金屬基底表面即沉積有單層石墨火布。
10.如權(quán)利要求5所述的銅銦鎵硒太陽(yáng)能電池裝置的制備方法，其特征在于，對(duì)所述石墨烯薄膜處理形成n型的石墨烯薄膜的步驟包括將前步驟制得的結(jié)構(gòu)置于體積濃度為 20% 99%的乙醇水溶液中浸泡或者其蒸汽中浸沒(méi)處理10 15分鐘，或者前步驟制得的結(jié)構(gòu)置于體積濃度為5% 35%的氨水中浸泡或者其蒸汽中浸沒(méi)處理10 15分鐘，最后通入氮?dú)獯蹈?，?duì)石墨烯薄膜進(jìn)行η型摻雜。
11.如權(quán)利要求5所述的銅銦鎵硒太陽(yáng)能電池裝置的制備方法，其特征在于，所述對(duì) η型的石墨烯薄膜與阻擋層之間進(jìn)行鍵合處理包括如下步驟將制得包含η型的石墨烯薄膜和阻擋層的結(jié)構(gòu)置于真空度為10_3 的真空環(huán)境中，通入乙醇蒸汽，維持氣壓在 0. OlPa 0. IPa,再在所述石墨烯薄膜的表面均勻施加5 10個(gè)大氣壓，維持壓力10分鐘 10小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種銅銦鎵硒太陽(yáng)能電池裝置，包括依次層疊設(shè)置的襯底、背電極層、銅銦鎵硒光吸收層、緩沖層、阻擋層及導(dǎo)電窗口層，其中，導(dǎo)電窗口層為n型的石墨烯薄膜。石墨烯薄膜作為CIGS太陽(yáng)能電池裝置的導(dǎo)電窗口層，除了比傳統(tǒng)導(dǎo)電窗口層ZnO:Al薄膜具有更低方塊電阻外，還可以避免ZnO:Al薄膜導(dǎo)致的近紅外光波段的損耗，提高電池對(duì)光的利用率，進(jìn)而優(yōu)化電池性能。此外，本發(fā)明還涉及一種銅銦鎵硒太陽(yáng)能電池裝置的制備方法。
文檔編號(hào)H01L31/18GK102522437SQ201110422209
公開(kāi)日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月15日
發(fā)明者尹苓, 張康, 肖旭東 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院, 香港中文大學(xué)