一種銅鋅錫硫薄膜太陽電池器件及其制備方法
【專利摘要】一種基于聚酰亞胺柔性襯底的銅鋅錫硫薄膜太陽電池器件。1.聚酰亞胺柔性襯底薄膜太陽電池具有較高的重量比功率；具有柔性、可折疊性和不怕摔碰的優(yōu)勢；成本降低潛能大，適合大規(guī)模生產(chǎn)的卷-卷工藝。2.銅鋅錫硫各組成元素儲量豐富且對環(huán)境無污染，制備成本低；禁帶寬度在1.45eV左右，非常接近光伏電池的理想帶隙1.4eV；是一種直接帶隙p型半導(dǎo)體材料，光學(xué)吸收系數(shù)超過104cm-1，非常適合作為薄膜太陽電池的吸收層材料；電池轉(zhuǎn)換效率高，從理論上將可達(dá)到單結(jié)電池的最高轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是電池制備方法簡單、易于實(shí)施，有利于大規(guī)模的推廣應(yīng)用，尤其在太空及特殊場合中具有極其重要的應(yīng)用前景。
【專利說明】一種銅鋅錫硫薄膜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領(lǐng)域技術(shù)，特別是一種基于聚酰亞胺柔性襯底的銅鋅錫砸薄膜太陽電池器件及其制備。

【背景技術(shù)】
[0002]銅鋅錫砸材料￠2136)屬于12-111-1乂；14族四元化合物半導(dǎo)體，主要具有鋅黃錫礦、黃錫礦和銅金合金結(jié)構(gòu)。其中，鋅黃錫礦結(jié)構(gòu)比起其他結(jié)構(gòu)類型在熱力學(xué)上有著更好的穩(wěn)定性。
[0003]銅鋅錫砸電池的特點(diǎn):銅鋅錫砸各組成元素儲量豐富且對環(huán)境無污染，制備成本低；銅鋅錫砸的禁帶寬度在1.0^左右，與太陽光譜非常匹配；銅鋅錫砸是一種直接帶隙？型半導(dǎo)體材料，光學(xué)吸收系數(shù)超過川4^—1，非常適合作為薄膜太陽電池的吸收層材料；電池轉(zhuǎn)換效率高，從理論上將可達(dá)到單結(jié)電池的最高轉(zhuǎn)換效率。2013年301犯' 辦0社161'公司與181、東京應(yīng)化工業(yè)(101()合組的共同研發(fā)的以13薄膜太陽電池轉(zhuǎn)換效率提高至12.6%(電池尺寸0.4201112)。
[0004]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$1)在其中脫穎而出。


【發(fā)明內(nèi)容】

:
[0005]本發(fā)明提供了一種基于聚酰亞胺襯底的銅鋅錫砸薄膜太陽電池器件的制備方案。以柔性的聚酰亞胺膜作為襯底，在其表面依次制備背接觸層、銅鋅錫砸吸收層、硫化鎘緩沖層、透明窗口層和鋁上電極。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案
[0007]一種基于聚酰亞胺柔性襯底的銅鋅錫砸薄膜太陽電池，所用聚酰亞胺膜的厚度為25-30 V 0；鉬背接觸層生長于聚酰亞胺膜襯底之上，分為高阻層和低阻層，其中高阻層的厚度為80-12011111，低阻層的厚度為600-70011111，采用直流磁控濺射系統(tǒng)制備；銅鋅錫砸吸收層生長于鉬薄膜之上，化學(xué)分子式為導(dǎo)電類型為？型，厚度為1-2 V %采用01-700型鍍膜機(jī)，應(yīng)用共蒸發(fā)制備工藝；硫化鎘緩沖層生長于銅鋅錫砸吸收層表面，化學(xué)分子式為以3，導(dǎo)電類型為!1型，厚度為45-50=%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II型，其中本征氧化鋅薄膜的厚度為50-100?。。。?！，氧化鋅鋁薄膜的厚度為0.4-0.6 V %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，其厚度為0.8-1.5 V111，米用共蒸發(fā)制備系統(tǒng)制備。
[0008]鉬背接觸層的制備步驟如下:
[0009]在直流磁控濺射沉積系統(tǒng)的沉積室中，以純度為99.99 %的10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。
[0010]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—，工作氣壓為1-2？^！，襯底溫度為室溫25-501，射頻功率為500-7001，紅氣流量為30-508(^%基靶行走速度為4-6皿/?沉積時間(基靶的往復(fù)次數(shù))為2-4次。
[0011]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0-0.5？^襯底溫度為室溫25-501，射頻功率為1500-20001，紅氣流量為15-208(^%基靶行走速度為4-6皿/?沉積時間(基靶的往復(fù)次數(shù))為4-6次。
[0012]銅鋅錫砸吸收層薄膜的制備步驟如下:
[0013]本底真空為3.0，襯底溫度為450-5001，蒸發(fā)源溫度為1100-12001:，211蒸發(fā)源溫度為300-4001，％蒸發(fā)源溫度為1000-11001，86蒸發(fā)源溫度為220-2401，共蒸發(fā)?^1、211、311、36四種元素，蒸發(fā)時間為30-50111111，得到的薄膜為￠1型直接帶隙半導(dǎo)體，鋅黃錫礦結(jié)構(gòu)。通過調(diào)整襯底、各蒸發(fā)源溫度及共蒸時間，控制銅鋅錫砸薄膜貧銅富鋅，其中 011/ (211+811) = 0.8-1.0，211/811 = 1.0-1.2，80/ (￠11+211+811)約等于 1。隨后將各蒸發(fā)源冷卻到室溫，同時將襯底冷卻，當(dāng)蒸發(fā)311和56的同時將襯底冷卻到300-3501:時，關(guān)閉和36蒸發(fā)源，再將襯底冷卻到室溫。
[0014]硫化鎘緩沖層的制備步驟如下:
[0015]1)配置溶液，制備硫脲3“順2〉2溶液1匕濃度為0.01^01/1 ；醋酸鎘(⑶#00)%和醋酸氨(?⑶0見！4混合溶液1匕其中醋酸鎘溶液濃度為0.001001/1,醋酸氨溶度為0.00311101/1 ；氨水順3.??！20 溶度為 1.3 X。
[0016]2)配置反應(yīng)溶液1匕取第一步中所配置的各種溶液；其中硫脲溶液25此，醋酸鎘和醋酸氨混合溶液251111，氨水溶液4滴。攪拌均勻。
[0017]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78-801，制備時間為 50-60-0
[0018]4)制備完成后，將樣品用去離子水沖洗干凈。
[0019]本征氧化鋅薄膜的制備步驟如下:
[0020]在直流磁控濺射沉積系統(tǒng)的沉積室中，以純度為99.99 %的1-2=0為靶材，采用射頻磁控濺射制備系統(tǒng)在襯底表面沉積一層本征氧化鋅薄膜。
[0021]所述在襯底表面沉積一層氧化鋅鋁薄膜的工藝參數(shù)為:本底真空:3』^10—4？3，襯底溫度為室溫25-501，射頻功率為800-10001，紅氣流量為10-208(^% 02氣流量為2-68(^111，基勒1行走速度為2-6111111/8，沉積時間(基勒1的往復(fù)次數(shù))為6-10次。
[0022]氧化鋅鋁薄膜的制備步驟如下:
[0023]在直流磁控濺射沉積系統(tǒng)的沉積室中，以純度為99.99 %的2=0:八1為靶材，采用直流磁控濺射工藝在襯底表面沉積一層2=0:纟1薄膜。
[0024]所述在襯底表面沉積一層氧化鋅鋁薄膜的工藝參數(shù)為:本底真空:3』^10—4？3，襯底溫度為25-501，直流功率為1000-12001，紅氣流量為12-188(^%基靶行走速度為2-6111111/8，沉積時間(基靶的往復(fù)次數(shù))為10-15次。
[0025]鋁上電極的制備步驟如下:
[0026]1)本底真空:3.0父10—4？3，給予加熱絲204電流，持續(xù)1-2-11 ；給予加熱絲50八電流，持續(xù)1-2111111 ；給予加熱絲80八電流，持續(xù)1-2111111 ；給予加熱絲120八電流，持續(xù)5-8111111。
[0027]2)待觀察窗玻璃被鋁膜完全覆蓋之后，停止加熱，緩慢降低給予加熱絲電流，之后冷卻。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]附圖1為基于聚酰亞胺柔性襯底的銅鋅錫砸薄膜太陽電池器件結(jié)構(gòu)的示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0029]為了使本【技術(shù)領(lǐng)域】的人員更好地理解本發(fā)明方案，下面結(jié)合附圖和實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0030]實(shí)施例1
[0031]基于聚酰亞胺柔性襯底的銅鋅錫砸薄膜太陽電池的制備，其制備步驟如下:
[0032]1)鉬背接觸層的制備
[0033]在直流磁控濺射沉積系統(tǒng)的沉積室中，以純度為99.99 %的10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。①本底真空:3.0 X 工作氣壓為襯底溫度為室溫251:，射頻功率為6001，紅氣流量為基靶行走速度為4./8,沉積時間(基靶的往復(fù)次數(shù))為2次。②工作氣壓為0.1？^襯底溫度為室溫251，射頻功率為15001，紅氣流量為基靶行走速度為沉積時間(基靶的往復(fù)次數(shù))為6次。
[0034]2)銅鋅錫砸吸收層的制備
[0035]本底真空為3.0父10—4？3，襯底溫度為4501:，011蒸發(fā)源溫度為11001:，211蒸發(fā)源溫度為3001，811蒸發(fā)源溫度為10001，86蒸發(fā)源溫度為2201，共蒸發(fā)211、&1、86四種元素，蒸發(fā)時間為5001！！。隨后將各蒸發(fā)源冷卻到室溫，同時將襯底冷卻，當(dāng)蒸發(fā)和36的同時將襯底冷卻到3001:時，關(guān)閉和％蒸發(fā)源，再將襯底冷卻到室溫。
[0036]3)硫化鎘緩沖層薄膜的制備
[0037]①配置溶液，制備硫脲3“順2〉2溶液1匕濃度為0.0111101/1 ；醋酸鎘(⑶#00)%和醋酸氨(?⑶0見！4混合溶液1匕其中醋酸鎘溶液濃度為0.001001/1,醋酸氨溶度為0.00311101/1 ；氨水順3.??！20 溶度為 1.3 X。
[0038]②配置反應(yīng)溶液1匕取第一步中所配置的各種溶液；其中硫脲溶液25此，醋酸鎘和醋酸氨混合溶液25111匕氨水溶液4滴。攪拌均勻。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781，制備時間為6001??！。④制備完成后，將樣品用去離子水沖洗干凈。
[0039]4)本征氧化鋅薄膜的制備
[0040]在直流磁控濺射沉積系統(tǒng)的沉積室中，以純度為99.99%的1-2=0為靶材，采用射頻磁控濺射制備系統(tǒng)在襯底表面沉積一層本征氧化鋅薄膜。工藝參數(shù)為:本底真空:3.0父10—4？^襯底溫度為室溫351，射頻功率為8001，紅氣流量為02氣流量為3800111,基勒1行走速度為4111111/8，沉積時間(基勒1的往復(fù)次數(shù))為8次。
[0041]5)氧化鋅鋁薄膜的制備
[0042]在直流磁控濺射沉積系統(tǒng)的沉積室中，以純度為99.99 %的2=0:八1為靶材，采用直流磁控濺射工藝在襯底表面沉積一層2=0:八1薄膜。工藝參數(shù)為:本底真空:3.0父10—4？3，襯底溫度為室溫251，直流功率為10001，紅氣流量為基靶行走速度為6皿/?沉積時間(基靶的往復(fù)次數(shù))為10次。
[0043]6)鋁上電極的制備
[0044]①本底真空:3.0父10—4？1給予加熱絲204電流，持續(xù)2-11 ；給予加熱絲504電流，持續(xù)2111111 ；給予加熱絲80八電流，持續(xù)2111111 ；給予加熱絲120八電流，持續(xù)6111111。②待觀察窗玻璃被鋁膜完全覆蓋之后，停止加熱，緩慢降低給予加熱絲電流，之后冷卻。
[0045]附圖1為基于聚酰亞胺柔性襯底的銅鋅錫砸薄膜太陽電池器件結(jié)構(gòu)的示意圖
[0046]實(shí)施例2
[0047]基于聚酰亞胺柔性襯底的銅鋅錫砸薄膜太陽電池的制備，其制備步驟如下:
[0048]1)鉬背接觸層的制備
[0049]在直流磁控濺射沉積系統(tǒng)的沉積室中，以純度為99.99 %的10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。①本底真空:3.0 X 工作氣壓為襯底溫度為室溫251:，射頻功率為6001，紅氣流量為408(^%基靶行走速度為4./8,沉積時間(基靶的往復(fù)次數(shù))為2次。②工作氣壓為0.1？^襯底溫度為室溫251，射頻功率為15001，紅氣流量為基靶行走速度為沉積時間(基靶的往復(fù)次數(shù))為6次。
[0050]2)銅鋅錫砸吸收層的制備
[0051]本底真空為3.0乂 10—4？3，襯底溫度為5001，011蒸發(fā)源溫度為12001，211蒸發(fā)源溫度為4001，811蒸發(fā)源溫度為10001，86蒸發(fā)源溫度為2301，共蒸發(fā)211、&1、86四種元素，蒸發(fā)時間為5001??！。隨后將各蒸發(fā)源冷卻到室溫，同時將襯底冷卻，當(dāng)蒸發(fā)和36的同時將襯底冷卻到3501:時，關(guān)閉和36蒸發(fā)源，再將襯底冷卻到室溫。
[0052]3)硫化鎘緩沖層薄膜的制備
[0053]①配置溶液，制備硫脲3“順溶液1匕濃度為0.0111101/1 ；醋酸鎘(⑶#00)%和醋酸氨(?⑶0見！4混合溶液1匕其中醋酸鎘溶液濃度為0.001001/1,醋酸氨溶度為0.00311101/1 ；氨水順3.?。?0 溶度為 1.3 X。
[0054]②配置反應(yīng)溶液1匕取第一步中所配置的各種溶液；其中硫脲溶液25此，醋酸鎘和醋酸氨混合溶液25111匕氨水溶液4滴。攪拌均勻。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781，制備時間為6001?。?。④制備完成后，將樣品用去離子水沖洗干凈。
[0055]4)本征氧化鋅薄膜的制備
[0056]在直流磁控濺射沉積系統(tǒng)的沉積室中，以純度為99.99%的1-2=0為靶材，采用射頻磁控濺射制備系統(tǒng)在襯底表面沉積一層本征氧化鋅薄膜。工藝參數(shù)為:本底真空:3.0父10—4？^襯底溫度為室溫351，射頻功率為8001，紅氣流量為02氣流量為3800111,基勒1行走速度為4111111/8，沉積時間(基勒1的往復(fù)次數(shù))為8次。
[0057]5)氧化鋅鋁薄膜的制備
[0058]在直流磁控濺射沉積系統(tǒng)的沉積室中，以純度為99.99 %的2=0:八1為靶材，采用直流磁控濺射工藝在襯底表面沉積一層2=0:八1薄膜。工藝參數(shù)為:本底真空:3.0父10—4？3，襯底溫度為室溫251，直流功率為10001，紅氣流量為基靶行走速度為6皿/?沉積時間(基靶的往復(fù)次數(shù))為10次。
[0059]6)鋁上電極的制備
[0060]①本底真空:3.0父10—4？1給予加熱絲204電流，持續(xù)2-11 ；給予加熱絲504電流，持續(xù)2111111 ；給予加熱絲80八電流，持續(xù)2111111 ；給予加熱絲120八電流，持續(xù)6111111。②待觀察窗玻璃被鋁膜完全覆蓋之后，停止加熱，緩慢降低給予加熱絲電流，之后冷卻。
[0061]檢測結(jié)果與實(shí)施例1相同。
[0062]綜上所述，本發(fā)明提供了一種基于聚酰亞胺柔性襯底銅鋅錫砸薄膜太陽電池器件的制備方案，以柔性的聚酰亞胺膜作為襯底，在其表面依次制備背接觸層、銅鋅錫砸吸收層、硫化鎘緩沖層、透明窗口層和鋁上電極。該制備方法工藝條件方便易行，有利于大規(guī)模的推廣應(yīng)用，尤其在太空及特殊場合中具有極其重要的應(yīng)用前景。
[0063]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種聚酰亞胺柔性襯底的銅鋅錫砸薄膜的制備方法，其特征在于:采用共蒸發(fā)薄膜制備系統(tǒng)，應(yīng)用共蒸發(fā)的制備工藝，鋅蒸發(fā)源采用鋅單質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銅鋅錫砸薄膜的制備的方法，其特征在于:本底真空為 ，襯底溫度為450-5001，蒸發(fā)源溫度為1100-1200 X:，2=蒸發(fā)源溫度為300-400 00，811 蒸發(fā)源溫度為 1000-11001:，86 蒸發(fā)源溫度為 220-2401:，共蒸發(fā)。、211、311、5四種元素，蒸發(fā)時間為30-50-1得到的薄膜為？型直接帶隙半導(dǎo)體，鋅黃錫礦結(jié)構(gòu)。通過調(diào)整襯底、各蒸發(fā)源溫度及共蒸時間，控制銅鋅錫砸薄膜貧銅富鋅，其中(:11/(2=+?)=0.8-1.0,211/811 = 1.0-1.2,80/(011+211+811)約等于1。隨后將各蒸發(fā)源冷卻到室溫，同時將襯底冷卻，當(dāng)蒸發(fā)311和36的同時將襯底冷卻到300-3501:時，關(guān)閉和蒸發(fā)源，再將襯底冷卻到室溫。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的銅鋅錫砸薄膜的制備的方法，其特征在于:優(yōu)選的襯底溫度為5001，011蒸發(fā)源溫度為12001，211蒸發(fā)源溫度為4001，％蒸發(fā)源溫度為10001，86蒸發(fā)源溫度為2301。
【文檔編號】H01L31/072GK104485384SQ201410531363
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年9月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月30日
【發(fā)明者】薛玉明, 劉浩, 郭曉倩, 李鵬海, 潘洪剛, 劉君, 宋殿友, 朱亞東, 馮少君, 尹富紅, 高林, 航偉, 喬在祥, 于嘉程, 王連超, 張錫旺, 賴俊辰, 王小松, 王粟瑤, 張?zhí)? 申請人:天津理工大學(xué)