專利名稱:一種用于太陽能電池緩沖層CdS薄膜的電子束制備法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種用于太陽能電池緩沖層CdS薄膜的電子束制備法,屬于半導(dǎo)體薄膜材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù):
CIGS太陽能電池已經(jīng)被認為是最有發(fā)展空間的太陽能電池。CIGS薄膜太陽能電池的典型結(jié)構(gòu)為Al/MgF2/Zn0/CdS/CIGS/Mo/襯底,并以襯底為支撐。該電池成本低,性能穩(wěn)定、抗福射能力強、光電轉(zhuǎn)換效率高、光譜響應(yīng)范圍寬、弱光性好,有可能成為未來光伏電池的主流產(chǎn)品之一。 目前使用最多且得到最高效率的緩沖層是II-VI族化合物半導(dǎo)體CdS薄膜。在CIGS電池結(jié)構(gòu)中,實驗數(shù)據(jù)顯示不加緩沖層CdS,其轉(zhuǎn)換效率只有7%。如果在ZnO和CIGS之間加上緩沖層CdS,則太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率達到11%至13%,電池轉(zhuǎn)換效率提高了50%到80%。大大的改善了 CIGS太陽能電池的性能。CdS薄膜的制備可用蒸發(fā)法和化學水浴法(CBD)。通?;瘜W水浴法是在溶液中利用化學反應(yīng)在襯底上沉積薄膜的一種技術(shù)。但制備電池器件需要進出真空室,不利于一次成型,并且與電池器件其他結(jié)構(gòu)匹配性和兼容性不夠,限制了電池的大規(guī)模生產(chǎn)。同時由于CdS能隙偏窄、制備工藝不匹配等因素的制約,限制了電池的大規(guī)模應(yīng)用。因此,目前對緩沖層的研究主要集中在薄膜的制備工藝的研究,因此開發(fā)新型的真空條件下沉積CdS薄膜是一種迫切的必要。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于太陽能電池緩沖層CdS薄膜的制備方法,是在真空條件下,CdS粉在通電加熱到一定溫度后升華的方式蒸發(fā)沉積到襯底上形成CdS薄膜,以達到電池器件制備全程均是在真空條件下完成,利于一次成型,保證了電池可以大規(guī)模生產(chǎn)。本發(fā)明方法可以有效克服現(xiàn)有技術(shù)中,采用化學水浴法(CBD)存在的制備電池器件需要進出真空室,不利于一次成型,并且與電池器件其他結(jié)構(gòu)匹配性和兼容性不夠,限制了電池的大規(guī)模生產(chǎn)的弊端。本發(fā)明技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的一種用于太陽能電池緩沖層CdS薄膜的制備方法,其特征在于在真空條件下,將CdS粉末通電加熱后采用升華的方式蒸發(fā)沉積到襯底上形成CdS薄膜,具體步驟如下A)襯底處理選擇玻璃、不銹鋼或者金屬箔等材料作為襯底,將其放入50 100°C(如70°C)含有表面活性劑的水溶液中處理2h,再將襯底放在丙酮中超聲5 20min (如IOmin),最后在去離子水中超聲10 30min(如IOmin),用氮氣吹干,放入干燥環(huán)境中備用;B)緩沖層CdS薄膜的制備采用純度為99. 99 %的CdS粉末作為蒸鍍材料,將其放入蒸發(fā)舟或坩堝作為蒸發(fā)源固定于電子束熱蒸發(fā)設(shè)備上,將反應(yīng)室抽真空至10_3Pa以下,如4X 10_3Pa,樣品襯底溫度為20 200°C ;控制電流在10 30A之間;CdS粉末蒸發(fā)沉積速率為O. I O. 3nm / s,蒸發(fā)時間為5 15min ;C)退火處理將步驟B)得到的CdS薄膜在100 400°C溫度下(如150°C )和氮氣或氦氣保護氣氛下退火處理I 120min (如30min),得到更加致密、均勻且具有更好光電性能的CdS薄膜。所述的蒸發(fā)舟選用鑰舟,在鑰舟中加放一螺旋狀鎢絲加熱蒸發(fā)CdS,達到均勻加熱防止熱分解。本發(fā)明具有如下優(yōu)點和積極效果本發(fā)明在真空條件下將CdS粉通電加熱后采用升華的方式蒸發(fā)沉積到襯底上形成CdS薄膜,真空熱蒸發(fā)法成功克服了化學水浴法非真空條件制備CdS薄膜的限制,繼承了分子束外延的優(yōu)點,保證了電池器件各層均是在真空室內(nèi)完成,提高了電池制作工藝流程 之間的兼容性,利于電池器件一次成型,并使電池器件各層更好的匹配與兼容,成膜光滑均勻、致密性好,退火后薄膜的光電性能有顯著改善;降低了操作成本且操作簡便,適宜工業(yè)化生產(chǎn)。
具體實施例方式以下結(jié)合實施例對本發(fā)明進行詳細說明,但本實施例不能用于限制本發(fā)明,凡是采用與本發(fā)明相同的技術(shù)手段或相似變化,均應(yīng)列入本發(fā)明的保護范圍。實施例I :一種用于硬性襯底的CIGS (銅銦鎵硒)薄膜太陽能電池緩沖層CdS薄膜的電子束制備法,具體步驟如下A)襯底處理根據(jù)對實驗襯底的要求,先將玻璃或者不銹鋼放入90°C含有表面活性劑的水溶液中處理2h,再將襯底放在丙酮中超聲15min,最后再用去離子水中超聲20min,用氮氣吹干備用。B)緩沖層CdS薄膜的制備將裝有CdS粉末的鑰舟放入電子束蒸發(fā)設(shè)備中作為蒸發(fā)源,將襯底懸空固定在樣品架上,采用純度為99. 99%的CdS粉末并將其放入鑰舟內(nèi)作為蒸發(fā)源固定于熱蒸發(fā)設(shè)備上,將襯底懸空固定在樣品架上,將反應(yīng)室抽真空至4X10_3Pa以下,樣品襯底溫度為100°C ;控制電流在20 30A之間;CdS粉末蒸發(fā)沉積速率約為O. 2
O.25nm / s,蒸發(fā)時間為12min。C)退火處理將蒸有CdS薄膜的襯底放置在200°C溫度下和氮氣或氦氣保護氣氛下退火處理,時間為30min,CdS薄膜退火處理后,薄膜的晶化程度有很大的提高,晶粒有明顯的長大,其光電性能也有很大的改善。經(jīng)過以上步驟則可得到CdS薄膜,將其作為CIGS薄膜太陽能電池的窗口層,得到更佳CIGS電池器件。實施例2:一種用于制備CdTe (碲化鎘)太陽能電池緩沖層CdS薄膜的電子束制備法,具體步驟與實施例I相同,不同的是根據(jù)對實驗襯底的要求,選取不銹鋼或者玻璃作為襯底進行處理,蒸發(fā)舟選取鑰舟,將裝有CdS粉末的鑰舟放入電子束蒸發(fā)設(shè)備的蒸發(fā)源,將襯底懸空固定在樣品架上,得到長在襯底的上CdS薄膜,并進行退火處理,最后得到一種均勻、致密的具有良好光電效應(yīng)的有CdS薄膜。經(jīng)過以上步驟則可得到CdS薄膜,將其作為CdTe太陽能電池的窗口層。實施例3 一種用于柔性襯底的CIGS (銅銦鎵硒)薄膜太陽能電池緩沖層CdS薄膜的電子束制備法,具體步驟與實施例I相同,不同的是根據(jù)對實驗襯底的要求,選取金屬箔作為襯底進行處理,同時選擇裝有CdS粉末的鑰舟和裝有CdS粉末的坩堝作為電子束設(shè)備的蒸發(fā)源,將襯底懸空固定在樣品架上,得到長在金屬箔襯底的上CdS薄膜。進行退火處理,退火溫度為150°C。最后得到一種均勻、 致密的具有良好光電效應(yīng)的有CdS薄膜。經(jīng)過以上步驟則可得到CdS薄膜,將其作為柔性襯底的CIGS (銅銦鎵硒)薄膜太陽能電池的窗口層。
權(quán)利要求
1.一種用于太陽能電池緩沖層CdS薄膜的制備方法,其特征在于在真空條件下,將CdS粉通電加熱后采用升華的方式蒸發(fā)沉積到襯底上形成CdS薄膜,具體步驟如下 A)襯底處理選擇玻璃、不銹鋼或者金屬箔作為襯底,將其放入50 100°C含有表面活性劑的水溶液中處理2h,再將襯底放在丙酮中超聲5 20min,最后在去離子水中超聲10 30min,用氮氣吹干,放入干燥環(huán)境中備用; B)緩沖層CdS薄膜的制備采用純度為99.99%的CdS粉末作為蒸鍍材料,將其放入蒸發(fā)舟或坩堝作為蒸發(fā)源固定于電子束熱蒸發(fā)設(shè)備上,將反應(yīng)室抽真空至10_3Pa以下,如4X 10_3Pa,樣品襯底溫度為20 200°C ;控制電流在10 30A之間;CdS粉末蒸發(fā)沉積速率為O. I O. 3nm / s,蒸發(fā)時間為5 15min ; C)退火處理將步驟B)得到的CdS薄膜在100 400°C溫度下和氮氣或氦氣保護氣氛下退火處理I 120min,得到更加致密、均勻且具有更好光電性能的CdS薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于太陽能電池緩沖層CdS薄膜的制備方法,其特征在于所述的蒸發(fā)舟選用鑰舟,在鑰舟中加放一螺旋狀鎢絲加熱蒸發(fā)CdS,達到均勻加熱防止熱分解。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于太陽能電池緩沖層CdS薄膜的制備方法,在真空條件下,將CdS粉末通電加熱后采用升華的方式蒸發(fā)沉積到襯底上形成CdS薄膜,具體步驟為選擇玻璃、不銹鋼金屬箔或硅片作為襯底,將其放入50~100℃含有表面活性劑的水溶液中處理2h后,再放入丙酮中超聲5~20min,用去離子水中超聲10~30min,氮氣吹干;將純度為99.99%的CdS粉末放入蒸發(fā)舟或坩堝內(nèi)并固定于電子束熱蒸發(fā)設(shè)備上,將反應(yīng)室抽真空至10-3Pa以下,樣品襯底溫度為20~200℃;控制電流在20~30A之間;蒸發(fā)時間為5~15min;在100~400℃溫度下和氮氣或氦氣保護氣氛下退火處理1~120min,得到CdS薄膜。本發(fā)明具有工藝簡單、耗費低、且薄膜更加致密、光滑均勻等優(yōu)點,擁有更佳的光電性能,適合大規(guī)模生產(chǎn)。
文檔編號C23C14/30GK102703860SQ20121020661
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月21日
發(fā)明者張華 , 曹軍, 曹敏, 朱德明, 鄧闖, 門傳玲 申請人:上海理工大學