濺射靶材及用該濺射靶材制作的cigs基薄膜太陽能電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及薄膜太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域，更具體的，本發(fā)明提供一種濺射靶材及用該濺射靶材制作的CIGS基薄膜太陽能電池。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著全球氣候變暖、生態(tài)環(huán)境惡化和常規(guī)能源的短缺，越來越多的國家開始大力發(fā)展太陽能利用技術(shù)。太陽能光伏發(fā)電是零排放的清潔能源，具有安全可靠、無噪音、無污染、資源取之不盡、建設(shè)周期短、使用壽命長等優(yōu)勢，因而備受關(guān)注。銅銦鎵砸(CIGS)是一種直接帶隙的P型半導(dǎo)體材料，其吸收系數(shù)高達(dá)105/cm，2um厚的銅銦鎵砸薄膜就可吸收90%以上的太陽光。CIGS薄膜的帶隙從1.04eV到1.67eV范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，可實(shí)現(xiàn)與太陽光譜的最佳匹配。銅銦鎵砸薄膜太陽電池作為新一代的薄膜電池具有成本低、性能穩(wěn)定、抗輻射能力強(qiáng)、弱光也能發(fā)電等優(yōu)點(diǎn)，其轉(zhuǎn)換效率在薄膜太陽能電池中是最高的，已超過20%的轉(zhuǎn)化率，因此日本、德國、美國等國家都投入巨資進(jìn)行研究和產(chǎn)業(yè)化。
[0003]目前，在CIGS基薄膜太陽能電池中，最經(jīng)常的是采用化學(xué)水浴法沉積CdS膜層作為電池的緩沖層。但是采用濕化學(xué)方式來沉積CdS膜層具有如下的缺點(diǎn):1)化學(xué)水浴工藝不能很好的適應(yīng)于大規(guī)模的CIGS基薄膜太陽能電池的生產(chǎn)工藝過程，其沉積的膜層厚度均勻性較差；2) CdS膜層中的Cd是重金屬元素，電池生產(chǎn)過程中含鎘廢水的處理將增加電池的制造成本，在薄膜電池的使用過程中可能因?yàn)樽匀粭l件及其他因素作用，會(huì)存在鎘泄漏到環(huán)境中去的危險(xiǎn)，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境遭受破壞，同時(shí)由于鎘的存在，這種電池的回收處理也比較困難。
[0004]CdS是具有大致2.4eV的禁帶寬度，入射光在CdS膜層厚度為幾十納米的情況下就已經(jīng)被吸收，使得更少的入射光達(dá)到光吸收層，這將使薄膜電池的短路電流減少，而ZnS的禁帶寬度比CdS大得多，用ZnS取代CdS作為薄膜電池的緩沖層不僅可以提高薄膜電池的短路電流，還有利于薄膜電池獲得藍(lán)光區(qū)的光譜響應(yīng)，而且其晶格參數(shù)與光吸收層更匹配。
[0005]因此，近年來人們一直致力于無鎘緩沖層的開發(fā)，使用化學(xué)水浴法沉積硫化鋅、砸化鋅、硫化銦等無鎘材料作為薄膜電池的緩沖層。也有人使用純的硫化鋅、砸化鋅濺射靶材來制作緩沖層，由于純的硫化鋅、砸化鋅靶材不能導(dǎo)電，所以其只能采用RF濺射設(shè)備進(jìn)行沉積膜層。用RF濺射設(shè)備沉積緩沖層，由于設(shè)備比較復(fù)雜，且實(shí)現(xiàn)大面積沉積難度較大，一般都是較小尺寸的沉積，沉積膜層速度慢，其不適于大規(guī)模的生產(chǎn)，因此制造成本較高。
[0006]中國專利CN103025916公開了一種用化學(xué)水浴法沉積ZnS膜層，用其替代CdS膜層作為電池的緩沖層，已到達(dá)生產(chǎn)無鎘薄膜太陽能電池的目的。但是使用化學(xué)水浴法沉積薄膜難以實(shí)現(xiàn)在大面積條件下的良好沉積，生產(chǎn)效率較低，而且生產(chǎn)也會(huì)造成較多的廢水排放，這些都將增大電池的制造成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)之不足，提供一種濺射靶材及用該濺射靶材制作CIGS基薄膜太陽能電池，通過在硫化鋅材料中摻入一定量的B、Al、Ga、In元素來制作硫化鋅濺射靶材，該濺射靶材可使用DC濺射沉積或AC濺射沉積，其生產(chǎn)工藝與CIGS基薄膜太陽能電池的生產(chǎn)工藝相匹配，同時(shí)可避免使用復(fù)雜的RF濺射設(shè)備沉積硫化鋅膜層，因而可實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)，降低薄膜電池的生產(chǎn)成本。用本發(fā)明的硫化鋅濺射靶來制作薄膜太陽能電池的緩沖層替代傳統(tǒng)的硫化鎘膜層，實(shí)現(xiàn)薄膜電池的無鎘生產(chǎn)，同時(shí)可避免緩沖層的制作過程產(chǎn)生大量的有毒廢水，避免重金屬鎘對(duì)環(huán)境的污染。
[0008]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:提供一種濺射靶材，其特征在于:所述濺射靶材包含硫化鋅材料，和至少包含一種摻雜劑材料；所述摻雜劑材料選自B、Al、Ga或In元素中的至少一種，所述派射革El材中摻雜劑材料的含量為10ppm至4000ppm。
[0009]當(dāng)硫化鋅濺射靶材中摻雜劑材料的含量小于10ppm時(shí)，靶材的導(dǎo)電性很差，因此不能使用DC或AC濺射沉積；當(dāng)硫化鋅濺射靶材中摻雜劑的含量大于4000ppm時(shí)，濺射沉積的硫化鋅膜層的電阻率不夠高，這將會(huì)惡化其作為緩沖層的性能，進(jìn)而導(dǎo)致薄膜電池性能下降。
[0010]進(jìn)一步的，所述派射革El材中摻雜劑材料的含量優(yōu)選為500ppm至2500ppm。
[0011]進(jìn)一步的，所述濺射靶材采用冷等靜壓成型、熱等靜壓成型或燒結(jié)成型。所述濺射靶材具有導(dǎo)電性，可用DC濺射沉積鍍膜或AC濺射沉積鍍膜。
[0012]本發(fā)明提供一種上述濺射靶材制作的CIGS基薄膜太陽能電池，包括，提供一襯底，覆蓋襯底表面的背電極層，覆蓋背電極層的P型光吸收層，覆蓋P型光吸收層的η型半導(dǎo)體層，覆蓋η型半導(dǎo)體層的摻雜硫化鋅膜層，覆蓋摻雜硫化鋅膜層的透明導(dǎo)電層；所述摻雜硫化鋅膜層是使用具有導(dǎo)電性的硫化鋅靶材通過DC或AC濺射沉積的，所述摻雜硫化鋅膜層的摻雜劑選自B、Al、Ga或In元素中的至少一種，所述摻雜劑的含量為10ppm至4000ppm。
[0013]進(jìn)一步的，所述摻雜劑的含量優(yōu)選為500ppm至2500ppm。
[0014]進(jìn)一步的，所述摻雜硫化鋅膜層的濺射沉積過程可通入少量的含有硫族元素的氣體。
[0015]進(jìn)一步的，所述背電極層為鉬電極層、鈦電極層、鉻電極層或AZO透明導(dǎo)電層；所述背電極層中可含有一定量的氧。
[0016]進(jìn)一步的，所述ρ型光吸收層具有黃銅礦結(jié)構(gòu)，為ρ型銅銦鎵砸膜層、ρ型銅銦鎵硫膜層、P型銅銦鎵砸硫膜層、P型銅銦砸膜層、P型銅銦硫膜層或P型銅銦砸硫膜層；所述P型光吸收層中含有堿金屬元素，所述P型光吸收層中優(yōu)選含有鈉。所述P型光吸收層可由先濺射預(yù)制層后砸化法、共蒸發(fā)沉積法、反應(yīng)濺射沉積法或直接濺射沉積法獲得。
[0017]進(jìn)一步的，所述η型半導(dǎo)體層具有黃銅礦結(jié)構(gòu)，為η型銅銦鎵砸膜層、η型銅銦鎵硫膜層、η型銅銦鎵砸硫膜層、η型銅銦鎵鋁砸膜層、η型銅銦鎵鋁硫膜層、η型銅銦鎵鋁砸硫膜層、η型銅銦砸膜層、η型銅銦硫膜層或η型銅銦砸硫膜層。所述η型半導(dǎo)體層中含有堿金屬元素，所述η型半導(dǎo)體層中優(yōu)選含有鈉。所述η型半導(dǎo)體層可由熱擴(kuò)散法、共蒸發(fā)沉積法或反應(yīng)濺射法沉積獲得。
[0018]進(jìn)一步的，所述透明導(dǎo)電層選用銀基透明導(dǎo)電膜、氧化銦摻雜錫、氧化鋅摻雜鋁、氧化鋅摻雜硼、氧化鋅摻雜鎵、氧化鋅摻雜銦、氧化錫摻雜氟、氧化錫摻碘或氧化錫摻雜銻中的一種或兩種以上透明導(dǎo)電膜。
[0019]進(jìn)一步的，所述襯底為鈉鈣玻璃襯底、不銹鋼薄板、聚酰亞胺板、鋁薄板或鈦薄板。
[0020]進(jìn)一步的，在襯底與背電極層之間可插入一層電介質(zhì)材料層。所述電介質(zhì)材料層由氧化娃、氮化娃、氮氧化娃、氮化鈦、氧化鈦、氮氧化鈦、氮氧化錯(cuò)、氧化錯(cuò)、氮化錯(cuò)、氮化鋁、氧化鋁、氧化硅鋁、氮化硅鋁、氮氧化硅鋁、鋅錫氧化物或它們的混合物組成；所述電介質(zhì)材料層或由硅、鋯和鈦中的至少一種元素與鉬組成的至少兩種元素的氧化物、氮化物或氮氧化物組成；當(dāng)襯底為玻璃基板時(shí)，所述電介質(zhì)材料層可由一含有L1、K中至少一種元素的堿過濾層替代，該堿過濾層包含L1、K中的至少一種元素和S1、Al、O三種元素。
[0021]進(jìn)一步的，在所述摻雜硫化鋅膜層與透明導(dǎo)電層之間插入一層本征氧化鋅膜層，或者插入一層具有高電阻率的摻雜氧化鋅膜層，或者同時(shí)插入一層本征氧化鋅膜層和一層具有高電阻率的摻雜氧化鋅膜層；所述高電阻率的摻雜氧化鋅膜層的電阻率為0.08 Ω - cm至95Ω.cm，所述摻雜氧化鋅膜層的摻雜劑可選自B、Al、Ga或In元素中的至少一種。
[0022]進(jìn)一步的，還包括減反射膜層，所述減反射膜層覆蓋所述透明導(dǎo)電層。
[0023]進(jìn)一步的，所述減反射膜可由一層或多層組成；減反射膜層可由一層氟化鎂組成，或由折射率大于1.80的第一材料層和折射率小于1.70的第二材料層組成，或者由其他適用于減反射膜層的材料組成。
[0024]與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
1、與傳統(tǒng)采用化學(xué)水浴法沉積緩沖層相比，使用本發(fā)明的濺射靶材濺射沉積摻雜硫化鋅膜層作為CIGS基薄膜太陽能電池的緩沖層，可避免有毒廢水的產(chǎn)生及重金屬鎘對(duì)環(huán)境的污染。
[0025]2、與傳統(tǒng)采用化學(xué)水浴法沉積緩沖層或采用RF濺射法沉積緩沖層相比，本發(fā)明的濺射靶材可用DC或AC來濺射沉積膜層，因而可實(shí)現(xiàn)大面積均勻成膜，且可實(shí)現(xiàn)高的沉積速率。
[0026]3、與傳統(tǒng)采用化學(xué)水浴法沉積緩沖層或采用RF濺射法沉積緩沖層相比，本發(fā)明的濺射靶材可用DC或AC來濺射沉積膜層，其生產(chǎn)膜層的工藝相對(duì)簡單，又與CIGS基薄膜太陽能電池的生產(chǎn)工藝相匹配，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模連續(xù)清潔生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率，降低制造成本。
【附圖說明】
[0027]下面參照附圖結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0028]圖1為本發(fā)明CIGS基薄膜太陽能電池的實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明CIGS基薄膜太陽能電池的實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為本發(fā)明CIGS基薄膜太陽能電池的實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4為本發(fā)明CIGS基薄膜太陽能電池的實(shí)施例4的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0030]在此先說明，本發(fā)明中DC濺射指的是直流濺射，AC濺射指的是交流濺射，RF濺射指的是射頻濺射，硫族元素指的是硫元素和砸元素，在本發(fā)明的整個(gè)說明書及權(quán)利要求中都是如此。
[0031]本發(fā)明通過提供一種濺射靶材，所述濺射靶材包含硫化鋅材料，和至少包含一種摻雜劑材料；所述摻雜劑材料選自B、Al、Ga或In元素中的至少一種，所述派射革El材中摻雜劑材料的含量為10ppm至4000ppm。當(dāng)硫化鋅派射革E材中摻雜劑材料的含量小于10ppm時(shí)，勒材的導(dǎo)電性很差，因此不能使用DC或AC濺射沉積；當(dāng)硫化鋅濺射靶材中摻雜劑的含量大于4000ppm時(shí)，濺射沉積的硫化鋅膜層的電阻率不夠高，這將會(huì)惡化其作為緩沖層的性能，進(jìn)而導(dǎo)致薄膜電池性能下降。因此，所述濺射靶材中摻雜劑材料的含量進(jìn)一步優(yōu)選為500ppm至2500ppm，在保持良好的導(dǎo)電性的同時(shí)又兼具較高的電阻率。
[0032]本發(fā)明的硫化鋅濺射靶材具有一定的導(dǎo)電性，因此可使用DC或AC來濺射沉積膜層，DC或AC濺射沉積速率快，