專利名稱：ZnO為電絕緣與雜質(zhì)阻擋層的薄膜太陽電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及薄膜太陽電池器件制作工藝，尤其是一種采用磁控濺射法在柔性襯底上沉積ZnO為電絕緣與雜質(zhì)阻擋層的薄膜太陽電池及其制備方法。
背景技術(shù)：
人類社會的發(fā)展伴隨著能源消耗的增加，與此同時，常規(guī)能源(如石油、煤炭等)儲量在逐年減少，而且使用常規(guī)能源造成環(huán)境污染和氣候惡化，導(dǎo)致地球生態(tài)環(huán)境的污染、破壞日趨嚴(yán)重。因此，人類對“可再生能源”、“綠色能源”的研究、開發(fā)和利用越來越重要、緊迫。這其中，太陽能無疑是人類未來能源的首選。從上世紀(jì)70年代起，許多國家掀起了太陽能光伏發(fā)電熱潮，美國、日本、歐盟、印度等國家紛紛制定雄心勃勃的中長期發(fā)展規(guī)劃推動光伏技術(shù)和光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，推動這一新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
薄膜太陽電池是太陽電池的一種類型，當(dāng)前最有前途的三種薄膜電池是非晶硅、CIGS、CdTe。CIGS薄膜太陽電池由于成本低、效率高、穩(wěn)定性好(無衰退)等優(yōu)點(diǎn)而成為最有前途的光伏器件之一。薄膜型光伏電池是在80年代末到90年代初開發(fā)，并取得了令人矚目的成績。主要有非晶硅薄膜，GaAs/GaAs，GaAs/Ge，InP/InP，InP/Si，銻化鎘(CdTe)、CIGS薄膜以及染料TiO2電池。GaAs系列的光伏電池效率高(大于30％)，但造價太高。鎘系(CdTe，CdS)電池有較高的效率(16.5％)，但發(fā)展該類電池對于環(huán)保問題始終是爭論的焦點(diǎn)。而CIGS薄膜太陽能電池具備光電轉(zhuǎn)換效率高(最高效率達(dá)到19.5％)、成本低、性能穩(wěn)定、抗輻射能力強(qiáng)等特點(diǎn)。CIGS薄膜太陽能電池使用的CIGS薄膜是一種很有前途的半導(dǎo)體材料，禁帶寬度1.04～1.7eV，與太陽光譜匹配較好，CIGS吸收層具有6×105cm-1的吸收系數(shù)，非常適合制作薄膜太陽能電池。
輕質(zhì)柔性襯底銅銦硒太陽電池是一種新型薄膜太陽電池。在輕質(zhì)金屬箔或高分子聚合物薄膜基底上，經(jīng)過真空沉積和化學(xué)方法沉積若干層半導(dǎo)體及金屬薄膜而構(gòu)成的太陽電池。而輕質(zhì)柔性CIGS薄膜太陽能電池的優(yōu)點(diǎn)輕質(zhì)、可折疊、不易碎；重量功率比和轉(zhuǎn)換效率高；空間性能好；機(jī)械性能好，卷帶式沉積CIGS吸收層將會有效地減少生產(chǎn)成本。
常用的柔性襯底材料包括金屬材料襯底，如不銹鋼箔、Mo箔、Cu箔、Al箔和Ti箔等，聚合物材料襯底，如聚酰亞胺薄膜等。其中金屬材料襯底在600℃以上也具有很高的機(jī)械穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性；但有害雜質(zhì)較多，容易向電池器件內(nèi)部擴(kuò)散，因而需要雜質(zhì)阻擋層。此外，制備電池組件需要襯底為絕緣材料，因此使用金屬襯底需要在金屬襯底上預(yù)先沉積一層電絕緣層?，F(xiàn)有技術(shù)中用于電子元器件阻擋層和電絕緣層的常用材料主要包括Al2O3、SiO2、Si3N4等，這些材料在厚度為2-3μm時就能起到很好地阻擋雜質(zhì)進(jìn)入CIGS電池吸收層的效果，但是如果作為電絕緣層則需要更厚才能具有良好的絕緣性。另外這些材料與Mo導(dǎo)電層的接觸效果很好，但在制備過程中容易形成針孔，嚴(yán)重影響到電阻率的提高和阻擋的效果。制備阻擋層的常用沉積方法有PECVD，濺射法，物理氣相沉積法，溶膠-凝膠法等，均需要專門的儀器設(shè)備進(jìn)行沉積。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的旨在為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種ZnO為電絕緣與雜質(zhì)阻擋層的薄膜太陽電池及其制備方法。該ZnO薄膜結(jié)構(gòu)致密，作為雜質(zhì)阻擋層對于金屬襯底內(nèi)的雜質(zhì)具有很好的阻擋效果，作為電絕緣層具有良好的絕緣效果，可用于制備柔性金屬襯底電池。
本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，設(shè)計了一種ZnO為電絕緣與雜質(zhì)阻擋層的薄膜太陽電池。它包括輕質(zhì)柔性襯底、ZnO電絕緣層與雜質(zhì)阻擋層、背電極、吸收層、窗口層和前電極，其特征在于所述輕質(zhì)柔性襯底是金屬材料襯底或聚合物材料襯底；襯底和背電極之間為0.8～4.0μm的ZnO電絕緣與雜質(zhì)阻擋層。
本發(fā)明還公開了一種ZnO為電絕緣與雜質(zhì)阻擋層的薄膜太陽電池的制備方法，其特征在于所述ZnO電絕緣與雜質(zhì)阻擋層用蒸發(fā)、濺射、溶膠凝膠法或化學(xué)氣相沉積法沉積在輕質(zhì)柔性襯底上，然后再在ZnO電絕緣與雜質(zhì)阻擋層上制備背電極、吸收層、窗口層和前電極，得到ZnO為電絕緣與雜質(zhì)阻擋層的薄膜太陽電池。所述ZnO電絕緣層與雜質(zhì)阻擋層制備工藝是在輕質(zhì)柔性襯底上直流磁控濺射沉積ZnO電絕緣與雜質(zhì)阻擋層，采用純鋅靶或者ZnO陶瓷靶，調(diào)整氧氣和氬氣的流量比為1∶2，沉積時間為2-4小時。
本發(fā)明有益效果是
本發(fā)明能在柔性CIGS電池(也包括碲化鎘、非晶硅、砷化鎵、硫化鎘或染料TiO2光伏電池)襯底上制備出高效ZnO雜質(zhì)阻擋層，以阻擋襯底內(nèi)的有害雜質(zhì)向CIGS吸收層內(nèi)部擴(kuò)散，以提高電池的性能。其特點(diǎn)生長速率高、薄膜質(zhì)量穩(wěn)定、制備成本低、薄膜均勻性好、適宜大面積沉積。由此制備的ZnO雜質(zhì)阻擋層可作為柔性襯底的雜質(zhì)阻擋層制備柔性CIGS薄膜太陽電池，以獲得較高的轉(zhuǎn)換效率。
本發(fā)明還可以利用純鋅靶或者ZnO陶瓷靶材，通過濺射法在金屬襯底上沉積ZnO薄膜，薄膜結(jié)構(gòu)致密，具有很高的電阻率，ZnO阻擋層電阻率在1011Ω·cm以上，且薄膜質(zhì)量穩(wěn)定、均勻性好、適宜大面積沉積，達(dá)到制備電池組件的要求。
本發(fā)明的制備工藝可以應(yīng)用于銅銦鎵金屬預(yù)制層后硒化或者硫化制備銅銦鎵硒薄膜太陽電池的生產(chǎn)線上，以及共蒸發(fā)制備銅銦鎵硒薄膜太陽電池的生產(chǎn)線上和其工藝執(zhí)行過程中，直接利用生產(chǎn)線上ZnO窗口層的裝置和工藝，制備柔性襯底ZnO雜質(zhì)阻擋層和電絕緣層薄膜。

圖1為本發(fā)明的ZnO作為雜質(zhì)阻擋層的CIGS薄膜太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的ZnO作為電絕緣阻擋層的CIGS薄膜太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式本發(fā)明ZnO為電絕緣與雜質(zhì)阻擋層的薄膜太陽電池，其輕質(zhì)柔性襯底可以是金屬材料襯底如不銹鋼箔、Mo箔、Cu箔、Al箔或Ti箔等，也可以是聚合物材料襯底如聚酰亞胺薄膜等其它絕緣材料襯底。襯底上面是0.8～4.0μm的ZnO電絕緣與雜質(zhì)阻擋層。吸收層是CIGS、碲化鎘、非晶硅、砷化鎵、硫化鎘或染料TiO2等光伏材料。
ZnO電絕緣與雜質(zhì)阻擋層可以是摻雜ZnO薄膜或本征ZnO薄膜。也可以是摻雜ZnO薄膜或本征ZnO薄膜與Al2O3、SiO2共沉積或分層沉積的薄膜。共沉積時三種金屬氧化物以任意的比例混合，分層沉積時三種金屬氧化物的厚度分別為0.2μm～3μm，總厚度為0.8μm～4.0μm。
例如本發(fā)明是金屬材料襯底，吸收層是CIGS、碲化鎘、非晶硅、砷化鎵、硫化鎘或染料TiO2等光伏材料，本征金屬氧化物ZnO薄膜做為電絕緣阻擋層，厚度0.8～4.0μm，優(yōu)選2.5μm?；蚴蔷酆衔锊牧弦r底，吸收層是CIGS、碲化鎘、非晶硅、砷化鎵、硫化鎘或染料TiO2等光伏材料，摻雜或本征ZnO薄膜做為雜質(zhì)阻擋層，厚度0.8～2.0μm，優(yōu)選1.5μm。
本發(fā)明制備的柔性不銹鋼襯底CIGS太陽電池，采用中頻磁控濺射在不銹鋼襯底上沉積ZnO雜質(zhì)阻擋層薄膜材料，然后直流磁控濺射Mo導(dǎo)電層，共蒸發(fā)法或者后硒化法沉積CIGS吸收層，化學(xué)水浴法或者蒸發(fā)法沉積CdS過渡層，濺射法沉積ZnO窗口層(i-ZnO/ZnO:Al)，得到柔性不銹鋼襯底CIGS太陽電池器件。其電池結(jié)構(gòu)為ZnO:Al/i-ZnO/CdS/CIGS/ZnO/Mo/不銹鋼襯底太陽電池器件。
具體制備工藝為1、利用ZnO作為雜質(zhì)阻擋層的制備工藝是采用金屬靶或者ZnO陶瓷靶，將清洗和預(yù)處理好的襯底置于小車的底部的中央位置，待真空室抽至3×10-3Pa后，通電加熱襯底，溫度250℃，加熱時間為40分鐘。打開Ar和O2進(jìn)氣管，通過調(diào)節(jié)Ar和O2流量計，使得流量比O2∶Ar＝1∶2。待反應(yīng)氣體進(jìn)入真空室后，打開濺射電源產(chǎn)生輝光，通過調(diào)節(jié)分子泵的閘板閥調(diào)節(jié)真空室的壓強(qiáng)，獲得穩(wěn)定的輝光，使O2與濺射物質(zhì)在等離子體的作用下充分反應(yīng)，沉積時間根據(jù)濺射功率和濺射真空度而定，一般為3.0小時，濺射薄膜厚度為0.8～2.0μm。
2、利用ZnO作為電絕緣層的制備工藝是將清洗和預(yù)處理好的金屬襯底置于小車的底部的中央位置，待真空室抽至3×10-3Pa后，通電加熱金屬襯底，溫度250℃，加熱時間為50分鐘。打開Ar和O2進(jìn)氣管，通過調(diào)節(jié)Ar和O2流量計，使得流量比O2∶Ar＝1∶1。待反應(yīng)氣體進(jìn)入真空室后，打開濺射電源產(chǎn)生輝光，通過調(diào)節(jié)分子泵的閘板閥調(diào)節(jié)真空室的壓強(qiáng)，獲得穩(wěn)定的輝光，使O2與濺射物質(zhì)在等離子體的作用下充分反應(yīng)，沉積時間根據(jù)濺射功率和濺射真空度而定，一般為4.0小時，濺射薄膜厚度為0.8～4μm。所制備的ZnO阻擋層電阻率在1011Ω·cm以上。
制備時，襯底在靶材的上面，并且來回的移動，以便獲得厚度均勻的薄膜，避免因薄膜部分區(qū)域厚度不足而降低ZnO薄膜對于雜質(zhì)的阻擋效果和ZnO薄膜的電絕緣性能。
本發(fā)明使用設(shè)備包括真空室，Ar和O2進(jìn)氣管，氣體流量計，機(jī)械真空泵和分子泵，真空計，加熱電阻絲等。
權(quán)利要求
1.一種ZnO為電絕緣與雜質(zhì)阻擋層的薄膜太陽電池，其包括輕質(zhì)柔性襯底、ZnO電絕緣層和雜質(zhì)阻擋層、背電極、吸收層、窗口層和前電極，其特征在于所述輕質(zhì)柔性襯底是金屬材料襯底或聚合物材料襯底；襯底和背電極之間為0.8～4.0μm的ZnO電絕緣層與雜質(zhì)阻擋層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ZnO為電絕緣與雜質(zhì)阻擋層的薄膜太陽電池，其特征在于所述金屬材料襯底是不銹鋼箔、Mo箔、Cu銅箔、Al箔或Ti箔。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的ZnO為電絕緣與雜質(zhì)阻擋層的薄膜太陽電池，其特征在于所述聚合物材料襯底是聚酰亞胺薄膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ZnO為電絕緣與雜質(zhì)阻擋層的薄膜太陽電池，其特征在于所述吸收層是CIGS、碲化鎘、非晶硅、砷化鎵、硫化鎘或染料TiO2光伏材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或4所述的ZnO為電絕緣與雜質(zhì)阻擋層的薄膜太陽電池，其特征在于所述ZnO電絕緣與雜質(zhì)阻擋層是摻雜ZnO薄膜或本征ZnO薄膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2或4所述的ZnO為電絕緣與雜質(zhì)阻擋層的薄膜太陽電池，其特征在于所述ZnO電絕緣與雜質(zhì)阻擋層是摻雜ZnO薄膜或本征ZnO薄膜與Al2O3、SiO2共沉積或分層沉積的薄膜；共沉積時三種金屬氧化物以任意的比例混合，分層沉積時三種金屬氧化物的厚度分別為0.2μm～3μm。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的ZnO為電絕緣與雜質(zhì)阻擋層的薄膜太陽電池，其特征在于所述輕質(zhì)柔性襯底是金屬材料襯底，吸收層是CIGS、碲化鎘、非晶硅、砷化鎵、硫化鎘或染料TiO2光伏材料，本征ZnO薄膜作為電絕緣阻擋層，厚度為0.8～4.0μm。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的ZnO為電絕緣與雜質(zhì)阻擋層的薄膜太陽電池，其特征在于所述輕質(zhì)柔性襯底是聚合物材料襯底，吸收層是CIGS、碲化鎘、非晶硅、砷化鎵、硫化鎘或染料TiO2光伏材料，摻雜或本征ZnO薄膜做為雜質(zhì)阻擋層，厚度為0.8～2.0μm。
9.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的ZnO為電絕緣與雜質(zhì)阻擋層的薄膜太陽電池的制備方法，其特征在于所述ZnO電絕緣與雜質(zhì)阻擋層用蒸發(fā)、濺射、溶膠凝膠法或化學(xué)氣相沉積法沉積在輕質(zhì)柔性襯底上，然后再在ZnO電絕緣與雜質(zhì)阻擋層上沉積背電極、吸收層、窗口層和前電極，得到ZnO為電絕緣與雜質(zhì)阻擋層的薄膜太陽電池。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的ZnO為電絕緣與雜質(zhì)阻擋層的薄膜太陽電池的制備方法，其特征在于所述ZnO電絕緣與雜質(zhì)阻擋層制備工藝是在輕質(zhì)柔性襯底上直流磁控濺射沉積ZnO電絕緣與雜質(zhì)阻擋層，采用純鋅靶或者ZnO陶瓷靶，調(diào)整氧氣和氬氣的流量比為1∶2，沉積時間為2～4小時。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種ZnO為電絕緣與雜質(zhì)阻擋層的薄膜太陽電池及其制備方法，利用該發(fā)明制備的金屬襯底ZnO雜質(zhì)阻擋層和電絕緣層，適宜于柔性光伏電池。本發(fā)明利用純鋅靶或者ZnO陶瓷靶等靶材，通過濺射法在金屬襯底上沉積ZnO薄膜，通過調(diào)整Ar和O
文檔編號H01L31/18GK101093863SQ20071005759
公開日2007年12月26日 申請日期2007年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月12日
發(fā)明者施成營, 孫云, 何青, 李鳳巖, 趙久成 申請人:南開大學(xué)