專利名稱：卷對(duì)卷柔性pi襯底上制備摻鈉吸收層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于銅銦鎵硒薄膜太陽電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種卷對(duì)卷柔性PI襯底上制備摻鈉吸收層的方法。
背景技術(shù)：
隨著能源危機(jī)的日趨嚴(yán)重，可再生能源越來越受到人們的重視。而其中，太陽光能以其取之不盡，清潔無污染成為最具潛力的技術(shù)。硅基太陽能技術(shù)是目前最為成熟的，也是市場占有率最高的，但是受制于高耗能、高污染的制備過程，使其并不能成為最理想的太陽能技術(shù)。近年來，薄膜太陽能技術(shù)開始興起，由于薄膜電池具有重量輕、成本低、易安裝等優(yōu)點(diǎn)，一經(jīng)提出便有了迅猛的發(fā)展。而其中銅銦鎵硒薄膜太陽電池具有光電轉(zhuǎn)換效率高、穩(wěn)定性好、抗輻射等諸多優(yōu)勢(shì)，成為了最為發(fā)展前途的薄膜光伏器件。相比傳統(tǒng)的玻璃襯底的薄 膜電池，柔性襯底銅銦鎵硒太陽電池具有質(zhì)量比能量高(質(zhì)量比功率一般大于1000W/kg)、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽電池的基本結(jié)構(gòu)是柔性襯底/背電極(雙層Mo)/吸收層(CIGS半導(dǎo)體薄膜)/緩沖層(CdS)/窗口層/透明上電極層/金屬柵線電極/減反射層，其中作為光的吸收層的銅銦鎵硒半導(dǎo)體薄膜對(duì)太陽電池性能起著決定性的作用。眾所周知，銅銦鎵硒薄膜太陽電池中，大部分光生載流子的輸運(yùn)和收集工作是由作為吸收層完成，所以吸收層的電學(xué)性能及其晶體結(jié)構(gòu)對(duì)太陽電池的電學(xué)性能起著決定性的作用。吸收層中Na的存在可以極大的改善太陽電池電學(xué)性能這一點(diǎn)已經(jīng)被大多數(shù)的研究者所接受。最開始人們發(fā)現(xiàn)Na是來自于制備電池所用的鈣鈉玻璃襯底本身。柔性PI (聚酰亞胺)具有質(zhì)量輕、可彎曲、不怕摔碰、質(zhì)量比功率高、適合大面積卷對(duì)卷生產(chǎn)等顯著優(yōu)點(diǎn)，因此人們開始采用柔性PI作為柔性襯底制備銅銦鎵硒薄膜太陽電池，但是由于PI中不存在Na元素，為提高吸收層的電學(xué)性能及其晶體結(jié)構(gòu)，采用人為摻入鈉來制備的吸收層。目前公知的人為鈉摻雜制備吸收層的方法較多，但是對(duì)作為基底的柔性襯底耐高溫性要求都較高，而柔性PI襯底所能承受的最高溫度在480° C左右，特別是在卷對(duì)卷柔性PI襯底的背電極上制備吸收層時(shí)，由于柔性PI襯底處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，柔性PI襯底在運(yùn)動(dòng)過程中溫度會(huì)相對(duì)降低，通過目前公知的人為摻入鈉制備的吸收層會(huì)導(dǎo)致鈉不能完全均勻摻入到吸收層中，并且背電極上吸收層的附著力下降，吸收層容易脫落，不僅會(huì)降低制備成銅銦鎵硒薄膜太陽電池的性能，還會(huì)影響到其壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決背景技術(shù)中存在的技術(shù)問題而提供了一種PI襯底在低溫下能夠?qū)⑩c完全均勻摻入到大面積吸收層中、吸收層的附著性強(qiáng)、厚度均勻、電性能好，有利于最終制備大面積銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的卷對(duì)卷柔性PI襯底制備摻鈉吸收層的方法。本發(fā)明采取的技術(shù)方案是
卷對(duì)卷柔性PI襯底上制備摻鈉吸收層的方法，其特點(diǎn)是包括以下步驟步驟I :工作前的準(zhǔn)備將卷繞PI柔性襯底的兩個(gè)滾軸平行置于制備吸收層用真空室內(nèi)部的沉積薄膜室中，卷對(duì)卷PI柔性襯底背電極Mo的一面向下平行于水平面；積薄膜室的下面為三個(gè)工藝室，分別稱為一室、二室和三室；一室中置有作為蒸發(fā)源的NaF源、Ga源、In源和Se源；二室中置有作為蒸發(fā)源的NaF源、Cu源、Ga源、In源和Se源；三室中置有作為蒸發(fā)源的NaF源、Cu源、Ga源、In源和Se源；全部蒸發(fā)源下面均置有加熱器；各室的蒸發(fā)源與PI柔性襯底之間的距離為300-400mm ;各室中PI柔性襯底的走帶速度均為10-20mm/min ； 步驟2 :制備摻Na的IGS膜沉積薄膜室抽真空至壓強(qiáng)小于2X10_3pa，同時(shí)開啟一室加熱板，沉積薄膜室的壓 強(qiáng)達(dá)到10_2pa后，控制一室內(nèi)上PI柔性襯底溫度為400-450°C時(shí)，開啟一室中各蒸發(fā)源的加熱器，加熱至一室 NaF 源 600° C-700。C、一室 Ga 源 930_980°C、一室 In 源 890_940°C、一室Se源260-300°C，各蒸發(fā)源的蒸發(fā)速率4_6 X 106cps，各元素在PI柔性襯底的背電極Mo膜上化合，背電極Mo上得到一層100nm-150nm摻Na的IGS膜；步驟3 :制備富銅CIGS膜由終端滾軸帶動(dòng)PI柔性襯底移動(dòng)到二室，在步驟2制備Na的IGS膜基礎(chǔ)上，控制二室內(nèi)襯底溫度保持在400-450°C、沉積薄膜室的壓強(qiáng)10-2pa，加熱二室中各蒸發(fā)源的加熱器，加熱至二室 NaF 源 600° C-700。C、二室 Cu 源 1200-1300°C、二室 Ga 源 960_1010°C、二室In源900-950°C、二室Se源240_280°C，保持PI柔性襯底的走帶速度10-20mm/min，得到I. 3-1. 8μπι的富銅CIGS膜；步驟4 :完成本發(fā)明摻鈉吸收層的制備由終端滾軸帶動(dòng)PI柔性襯底移動(dòng)到三室，在步驟3富銅CIGS膜基礎(chǔ)上，依然保持三室內(nèi)襯底溫度400-450°C、沉積薄膜室的壓強(qiáng)10-2pa，加熱三室中各蒸發(fā)源的加熱器，加熱至三室NaF源600° C-700° C、三室Cu源1200_1250°C、三室Ga源960_1010°C、三室In源900-950°C、三室Se源240_280°C，保持PI柔性襯底的走帶速度10-20mm/min，得到O. 5-0. 8 μ m厚的表面貧銅CIGS膜，冷卻后，步驟2-4的膜即成為強(qiáng)力附著在背電極Mo的上摻鈉吸收層。本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是I、本發(fā)明通過采用真空蒸發(fā)工藝、并將各蒸發(fā)源距PI襯底保持300-400mm的距離，加之調(diào)整PI襯底的走帶速度，使PI襯底在450°C以下，各蒸發(fā)源蒸發(fā)后的各元素即能在PI襯底的背電極Mo上很好的化合,在背電極Mo上形成厚度均勻摻Na的IGS膜；由于Na原子擴(kuò)散進(jìn)入IGS膜的晶界位置，形成深能級(jí)缺陷；為鈉完全均勻摻入到大面積吸收層中、增強(qiáng)吸收層的附著打下了基礎(chǔ)；并起到提高電池開路電壓和改善電池電學(xué)性能的作用。2、本發(fā)明工藝簡單，成本低適合于大規(guī)模生產(chǎn)。


圖I是本發(fā)明制備吸收層用真空室內(nèi)部主視示意圖；圖2是圖I的左視示意圖。圖中I-沉積薄膜室；2_始端滾軸；3_ —室加熱板；4_ 二室加熱板；5_終端滾軸；6-柔性襯底；7-三室加熱板；8_三室Se源加熱器；9_三室In源；10_三室In源加熱器；11-三室Ga源；12-三室Ga源加熱器；13-三室Cu源；14-三室Cu源加熱器；15-三室NaF源；16_三室NaF源加熱器；17_ 二室Se源；18_ 二室Se源加熱器；19_ 二室In源加熱器；20- 二室In源；21_ 二室Ga源加熱器；22_ 二室Ga源；23_ 二室Cu源加熱器；24_ 二室Cu源；25_ 二室NaF源加熱器；26_ 二室NaF源；27_ —室Se源加熱器；28_ —室Se源；29_ —室In源加熱器；30_ —室In源；31_ —室Ga源加熱器；32_ —室Ga源；33_ —室NaF源加熱器；34_ —室NaF源；35_三室Se源；36_第一工藝室；37_第二工藝室；38_第三工藝。
具體實(shí)施例方式為能進(jìn)一步了解本發(fā)明的發(fā)明內(nèi)容、特點(diǎn)及功效，茲例舉以下實(shí)施例，并配合附圖詳細(xì)說明如下本發(fā)明的制備步驟，如圖1-2所示步驟I :工作前的準(zhǔn)備·將作為制備吸收層用真空室內(nèi)部沉積薄膜室I中始端滾軸2上的整卷PI柔性襯底外端卷到終端滾軸5上，形成卷對(duì)卷PI柔性襯底6，卷繞后兩滾軸之間的PI柔性襯底形成水平面，并且沉積有背電極Mo的一面向下，沉積薄膜室中背電極Mo下面自左至右依次為第一工藝室(以下簡稱一室)36、第二工藝室(以下簡稱二室)37和第三工藝室(以下簡稱三室)38 ;沉積薄膜室中，位于一室上PI柔性襯底的上方置有一室加熱板3、位于二室上PI柔性襯底的上方置有二室加熱板4、位于三室上PI柔性襯底的上方置有三室加熱板7 ;—室中置有作為蒸發(fā)源的一室NaF源34、一室Ga源32、一室In源30和一室Se源28，其中一室NaF源下面置有一室NaF源加熱器33、一室Ga源下面置有一室Ga源加熱器31、一室In源下面置有一室In源加熱器29、一室Se源28下面置有一室Se源加熱器27 ;二室中置有作為蒸發(fā)源的二室NaF源26、二室Cu源24、二室Ga源22、二室In源20和二室Se源17，其中，二室NaF源下面置有二室NaF源加熱器25、二室Cu源下面置有二室Cu源加熱器23、二室Ga源下面置有二室Ga源加熱器21、二室In源下面置有二室In源加熱器19、二室Se源下面置有二室Se源加熱器18 ;三室中置有作為蒸發(fā)源的三室NaF源15、三室Cu源13、三室Ga源11、三室In源9和三室Se源35，其中，三室NaF源下面置有三室NaF源加熱器16、三室Cu源下面置有三室Cu源加熱器14、三室Ga源下面置有三室Ga源加熱器12、三室In源下面置有三室In源加熱器10、三室Se源下面置有三室Se源加熱器8 ;各室的蒸發(fā)源與PI柔性襯底之間的距離為300-400mm ；步驟2 :制備摻Na的IGS膜通過真空系統(tǒng)將各室的壓強(qiáng)均抽真空至10_4pa以下，對(duì)沉積薄膜室抽真空至壓強(qiáng)小于2X 10_3pa,同時(shí)開啟一室加熱板,沉積薄膜室的壓強(qiáng)達(dá)到10_2pa后，控制一室內(nèi)上PI柔性襯底溫度為400-450°C時(shí)，開啟一室中各蒸發(fā)源的加熱器，加熱至一室NaF源600。C-700。C、一室 Ga 源 930-980°C、一室 In 源 890-940°C、一室 Se 源 260-300°C，各蒸發(fā)源的蒸發(fā)速率4-6 X 106cps，PI柔性襯底的走帶速度控制在10-20mm/min，各元素在PI柔性襯底的背電極Mo膜上較好的化合，背電極Mo上得到一層100nm-150nm的摻Na的IGS膜；由于Na原子擴(kuò)散進(jìn)入IGS膜的晶界位置，形成深能級(jí)缺陷，為鈉完全均勻摻入到大面積吸收層中、增強(qiáng)吸收層的附著打下了基礎(chǔ)；并起到提高電池開路電壓和改善電池電學(xué)性能的作用；步驟3 :制備富銅CIGS膜由終端滾軸帶動(dòng)PI柔性襯底移動(dòng)到二室，在步驟2制備Na的IGS膜基礎(chǔ)上，控制二室內(nèi)襯底溫度保持在400-450°C、沉積薄膜室的壓強(qiáng)10-2pa，加熱二室中各蒸發(fā)源的加熱器，加熱至二室 NaF 源 600° C-700。C、二室 Cu 源 1200-1300°C、二室 Ga 源 960_1010°C、二室In源900-950°C、二室Se源240_280°C，保持PI柔性襯底的走帶速度10-20mm/min，得到I. 3-1. 8μπι的富銅CIGS膜；步驟4 :完成本發(fā)明摻鈉吸收層的制備由終端滾軸帶動(dòng)PI柔性襯底移動(dòng)到三室，在步驟3富銅CIGS膜基礎(chǔ)上，依然保持三室內(nèi)襯底溫度400-450°C、沉積薄膜室的壓強(qiáng)10-2pa，加熱三室中各蒸發(fā)源的加熱器，加熱至三室NaF源600° C-700° C、三室Cu源1200_1250°C、三室Ga源960_1010°C、三室In源900-950°C、三室Se源240_280°C，保持PI柔性襯底的走帶速度10-20mm/min，得到
O.5-0. 8 μ m厚的表面貧銅CIGS膜，冷卻后，步驟2-4的膜即成為強(qiáng)力附著在背電極Mo的上摻鈉吸收層，制備成電池后，電池的轉(zhuǎn)換效率得到明顯提高。盡管上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式
，上述的具體實(shí)施方式
僅僅是示意性的，并不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可以作出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.卷對(duì)卷柔性PI襯底上制備摻鈉吸收層的方法，其特征在于包括以下制備步驟 步驟I :工作前的準(zhǔn)備 將卷繞PI柔性襯底的兩個(gè)滾軸平行置于制備吸收層用真空室內(nèi)部的沉積薄膜室中，卷對(duì)卷PI柔性襯底背電極Mo的一面向下平行于水平面；積薄膜室的下面為三個(gè)工藝室，分別稱為一室、二室和三室；一室中置有作為蒸發(fā)源的NaF源、Ga源、In源和Se源；二室中置有作為蒸發(fā)源的NaF源、Cu源、Ga源、In源和Se源；三室中置有作為蒸發(fā)源的NaF源、Cu源、Ga源、In源和Se源；全部蒸發(fā)源下面均置有加熱器；各室的蒸發(fā)源與PI柔性襯底之間的距離為300-400mm ;各室中PI柔性襯底的走帶速度均為10-20mm/min ； 步驟2 :制備摻Na的IGS膜 沉積薄膜室抽真空至壓強(qiáng)小于2X 10_3pa，同時(shí)開啟一室加熱板，沉積薄膜室的壓強(qiáng)達(dá)到10_2pa后，控制一室內(nèi)上PI柔性襯底溫度為400-450°C時(shí)，開啟一室中各蒸發(fā)源的加熱器，加熱至一室 NaF 源 600° C-700。C、一室 Ga 源 930_980°C、一室 In 源 890_940°C、一室Se源260-300°C，各蒸發(fā)源的蒸發(fā)速率4-6 X 106cps，各元素在PI柔性襯底的背電極Mo膜上化合，背電極Mo上得到一層100nm-150nm摻Na的IGS膜； 步驟3 :制備富銅CIGS膜 由終端滾軸帶動(dòng)PI柔性襯底移動(dòng)到二室，在步驟2制備Na的IGS膜基礎(chǔ)上，控制二室內(nèi)襯底溫度保持在400-450°C、沉積薄膜室的壓強(qiáng)10-2pa，加熱二室中各蒸發(fā)源的加熱器，加熱至二室 NaF 源 600° C-700。C、二室 Cu 源 1200-1300°C、二室 Ga 源 960_1010°C、二室In源900-950°C、二室Se源240_280°C，保持PI柔性襯底的走帶速度10-20mm/min，得到I.3-1. 8μπι 的富銅 CIGS 膜； 步驟4 :完成本發(fā)明摻鈉吸收層的制備 由終端滾軸帶動(dòng)PI柔性襯底移動(dòng)到三室，在步驟3富銅CIGS膜基礎(chǔ)上，依然保持三室內(nèi)襯底溫度400-450°C、沉積薄膜室的壓強(qiáng)10-2pa，加熱三室中各蒸發(fā)源的加熱器，力口熱至三室 NaF 源 600° C-700° C、三室 Cu 源 1200_1250°C、三室 Ga 源 960_1010°C、三室In源900-950°C、三室Se源240_280°C，保持PI柔性襯底的走帶速度10-20mm/min，得到O. 5-0. 8 μ m厚的表面貧銅CIGS膜，冷卻后，步驟2-4的膜即成為強(qiáng)力附著在背電極Mo的上摻鈉吸收層。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種卷對(duì)卷柔性PI襯底上制備摻鈉吸收層的方法，其特點(diǎn)是步驟包括1、工作前的準(zhǔn)備；2、制備摻Na的IGS膜；3、制備富銅CIGS膜；4、卷對(duì)卷柔性PI襯底上制備本發(fā)明摻鈉吸收層。本發(fā)明通過采用真空蒸發(fā)工藝、并將各蒸發(fā)源距PI襯底保持300-400mm的距離，加之調(diào)整PI襯底的走帶速度，使PI襯底在450℃以下，各蒸發(fā)源蒸發(fā)后的各元素即能在PI襯底的背電極Mo上很好的化合，在背電極Mo上形成厚度均勻摻Na的IGS膜；由于Na原子擴(kuò)散進(jìn)入IGS膜的晶界位置，形成深能級(jí)缺陷；為鈉完全均勻摻入到大面積吸收層中、增強(qiáng)吸收層的附著打下了基礎(chǔ)；并起到提高電池開路電壓和改善電池電學(xué)性能的作用。
文檔編號(hào)C23C14/24GK102943241SQ20121048063
公開日2013年2月27日 申請(qǐng)日期2012年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月23日
發(fā)明者申緒男 申請(qǐng)人:中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所