專利名稱：一種薄膜太陽電池及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及以新型低成本、環(huán)保型薄膜作為吸收層的薄膜太陽電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其制造方法。
背景技術(shù)：
太陽能是取之不盡、用之不竭的可再生能源。在太陽能的各種利用方式中，太陽電池發(fā) 電是發(fā)展最快、最具活力和最受矚目的領(lǐng)域，可望成為解決日益嚴(yán)重的能源危機(jī)和環(huán)境污染 問題的有效途徑。太陽電池產(chǎn)業(yè)自1990年代后半期起進(jìn)入了快速發(fā)展階段，最近10年太陽 電池的年平均增長(zhǎng)率為41. 3%，最近5年的年平均增長(zhǎng)率為49. 5%。雖然發(fā)展速度如此之快， 但目前太陽電池發(fā)電在整個(gè)社會(huì)能源結(jié)構(gòu)中的比例還是非常小，不到1%。因此，太陽電池的 發(fā)展?jié)摿O其巨大，市場(chǎng)前景廣闊。
目前在工業(yè)生產(chǎn)和市場(chǎng)上處于主導(dǎo)地位的太陽電池是基于晶體硅(單晶硅和多晶硅)的 第一代太陽電池，其光電轉(zhuǎn)化效率高(已分別可達(dá)24.7%和20.3%)，技術(shù)也比較成熟，產(chǎn)量 占整個(gè)太陽電池90%左右(單晶硅43.4%、多晶硅46.5%)。但由于需要消耗大量昂貴的高 純晶體硅原料，原料成本占總成本60% 80%，導(dǎo)致價(jià)格居高不下，已成為光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展及太 陽電池推廣應(yīng)用的主要障礙。為了節(jié)省原材料，有效降低太陽電池的成本，基于薄膜技術(shù)的 第二代太陽電池逐漸顯示出巨大優(yōu)勢(shì)和發(fā)展?jié)摿?，成為近些年來太陽電池領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
在各種薄膜太陽電池中，非晶硅薄膜太陽電池雖然成本較低，但效率也較低，且存在光 衰效應(yīng)難以解決；染料敏化太陽電池雖然成本低，但由于采用液體電解質(zhì)和有機(jī)染料，使得 制造封裝困難、效率不穩(wěn)定。碲化鎘太陽電池雖然效率能達(dá)到要求，但需要使用稀有元素碲， 還含有劇毒重金屬元素鎘。銅銦鎵硒系薄膜太陽電池具有環(huán)境友好、成本低廉和性能優(yōu)良等 優(yōu)勢(shì)，但是由于使用了銦、鎵等稀有元素，使得其大規(guī)模應(yīng)用前景不明。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服非晶硅、染料敏化、碲化鎘和銅銦鎵硒等薄膜太陽電池的缺點(diǎn)，提 供一種結(jié)構(gòu)和制造工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、環(huán)境友好、性能穩(wěn)定、轉(zhuǎn)化效率高的作薄膜太陽電 池及其制造方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下
本發(fā)明的薄膜太陽電池，從下到上依次由玻璃基底、背電極、光吸收層、緩沖層、窗口 層和頂電極構(gòu)成。所述的光吸收層為銅硅錫硫(CSTS)薄膜，其厚度為0.5 5um。
電池的背電極為鉬銅合金薄膜，其厚度為0.3 3iim，其中銅含量為重量百分比(下同)2 40%;所述的緩沖層為硫化鋅(ZnS)薄膜，其厚度為20 100nm;所述的窗口層為氧化鋅 鋁(ZAO)薄膜，其厚度為0.2 5um;所述的頂電極為鎳鋁合金薄膜，其厚度為0.2 5nm， 其中鋁含量為1 100%。
本發(fā)明薄膜太陽電池的制造方法依下列步驟進(jìn)行
(1) 背電極制造在基底表面上用鉬-銅合金靶直流磁控濺射或鉬、銅雙靶直流磁控濺 射，沉積鉬銅合金薄膜；
(2) 光吸收層制造采用濺射硫化法在背電極上沉積一層銅硅錫硫薄膜；
(3) 緩沖層制造采用射頻反應(yīng)濺射法在光吸收層上沉積一層硫化鋅薄膜；
(4) 窗口層制造采用直流磁控濺射氧化鋁(1 5%)摻雜的氧化鋅靶，沉積制備一層 氧化鋅鋁薄膜。
(5) 頂電極的制造在氧化鋅鋁薄膜上通過掩膜用蒸發(fā)的方法沉積一層鎳鋁合金薄膜。 上述制造步驟(1)背電極的制造采用直流磁控濺射法，其濺射的工作氣體為高純氬氣，
工作氣壓為0. 05 10Pa，濺射功率為40 250W，熱處理溫度為300 600°C。
上述制造步驟(2)吸收層的制造采用濺射硫化法，即首先采用分步濺射或共濺射的方法 形成銅-硅-錫合金預(yù)制層，通過在元素硫或硫化氫氣氛下進(jìn)行硫化處理過程，硫化溫度為 300 700°C,擴(kuò)散形成銅硅錫硫薄膜。
上述制造步驟(3)緩沖層的制造采用射頻反應(yīng)磁控濺射法，其濺射的工作氣體為高純硫 化氫與高純氬氣的混合氣體，其中硫化氫的含量為1 100%，工作氣壓為0. 05 10Pa，靶材 為高純鋅耙或硫化鋅耙，濺射功率為40 250W,基底溫度為200 40(TC。
上述制造步驟(4)窗口層的制造采用直流磁控濺射法，其濺射的工作氣體為高純氬氣， 工作氣壓為0.05 10Pa，濺射功率為40 250W，基底溫度為150 400°C 。
本發(fā)明制造的太陽電池的各種材料均為無機(jī)晶體材料，避免了稀貴元素、有毒元素的使 用，也不含液體電解質(zhì)和有機(jī)等抗光蝕性差且不易封裝的材料，具有原料來源廣泛、結(jié)構(gòu)和 工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、綠色環(huán)保、性能良好穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，易于大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)的銅硅錫硫薄膜太陽電池剖面結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2為所制造的銅硅錫硫薄膜太陽電池的I-V特性曲線。
具體實(shí)施例方式
如圖l所示，本發(fā)明所述的的薄膜太陽電池，從下到上依次由玻璃基底1、背電極2、光 吸收層3、緩沖層4、窗口層5、和頂電極6構(gòu)成。
電池的背電極為鉬銅合金薄膜，其厚度為0.3 3um，其中銅含量為2 40%;所述的光 吸收層為銅硅錫硫(CSTS)薄膜，其厚度為0.5 5um;所述的緩沖層為硫化鋅(ZnS)薄膜， 其厚度為20 100nm;所述的窗口層為氧化鋅鋁(ZAO)薄膜，其厚度為0. 2 5 u m;所述的 頂電極為鎳鋁合金薄膜，其厚度為0.2 5um，其中鋁含量為1 100%。
本發(fā)明薄膜太陽電池的制造方法依下列步驟進(jìn)行(1) 背電極制造在基底表面上用鉬-銅合金靶直流磁控濺射或鉬、銅雙靶直流磁控濺 射，沉積鉬銅合金薄膜；
(2) 光吸收層制造采用濺射硫化法在背電極上沉積一層銅硅錫硫薄膜；
(3) 緩沖層制造采用射頻反應(yīng)濺射法在光吸收層上沉積一層硫化鋅薄膜；
(4) 窗口層制造采用直流磁控濺射氧化鋁(1 5%)摻雜的氧化鋅靶，沉積制備一層 氧化鋅鋁薄膜。下面對(duì)步驟l、 2、 3都有進(jìn)一步詳細(xì)的描述，應(yīng)對(duì)步驟4和5也進(jìn)行進(jìn)一步 描述。
(5) 頂電極的制造:在氧化鋅鋁薄膜上通過掩膜用蒸發(fā)的方法沉積一層鎳鋁合金薄膜(具體)。
上述制造步驟(1)背電極的制造采用直流磁控濺射法，其濺射的工作氣體為高純氬氣，
工作氣壓為0.05 10Pa，濺射功率為40 250W,熱處理溫度為300 600°C 。
上述制造步驟(2)吸收層的制造采用濺射硫化法，即首先采用分步濺射或共濺射的方法 形成銅-硅-錫合金預(yù)制層，通過在元素硫或硫化氫氣氛下進(jìn)行硫化處理過程，硫化溫度為 300 70(TC，擴(kuò)散形成銅硅錫硫薄膜。
上述制造步驟(3)緩沖層的制造采用射頻反應(yīng)磁控濺射法，其濺射的工作氣體為高純硫 化氫與高純氬氣的混合氣體，其中硫化氫的含量為1 100%，工作氣壓為0.05 10Pa，耙材 為高純鋅靶或硫化鋅靶，濺射功率為40 250W，基底溫度為200 400°C。
上述制造步驟(4)窗口層的制造采用直流磁控濺射法，其濺射的工作氣體為高純氬氣， 工作氣壓為0.05 10Pa，濺射功率為40 250W，基底溫度為150 400°C。制成的lcm*lcm 的銅硅錫硫薄膜太陽電池在光譜等級(jí)AM1.5、輻照度100mW/cm2的模擬太陽光下測(cè)試，獲得圖 2所示的I-V測(cè)試曲線，短路電流密度為20.25mA/cm2，開路電壓為669mV。
圖2中各字母的物理含義橫軸V為電壓，單位為Volts (伏特)，Voc為開路電壓； 縱軸J為電流密度，單位為mA/cm2 (毫安每平方厘米)，Jsc為短路電流密度,FF為為填充因 子，Eff為轉(zhuǎn)化效率；Area為樣品面積。
權(quán)利要求
1、一種薄膜太陽電池，從下到上依次由玻璃基底、背電極、光吸收層、緩沖層、窗口層和頂電極構(gòu)成，其特征在于所述的光吸收層為銅硅錫硫薄膜，其厚度為0.5～5μm。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的薄膜太陽電池，其特征在于電池的背電極為鉬銅合金薄膜，其厚度為0.3 3um，其中銅含量為重量百分比2 40%。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的薄膜太陽電池，其特征在于所述的緩沖層為硫化鋅薄膜，其 厚度為20 100nm。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的薄膜太陽電池，其特征在于所述的窗口層為氧化鋅鋁薄膜， 其厚度為0.2 5um。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的薄膜太陽電池，其特征在于所述的頂電極為鎳鋁合金薄膜， 其厚度為0. 2 5 " m，其中鋁含量為重量百分比1 100%。
6、 一種制造根據(jù)權(quán)利要求l所述的薄膜太陽電池的方法，其特征包括以下步驟(1) 背電極制造；(2) 光吸收層制造采用濺射硫化法在背電極上沉積一層銅硅錫硫薄膜；(3) 緩沖層制造；(4) 窗口層制造；(5) 頂電極的制造。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的薄膜太陽電池制造方法，其特征在于步驟(1)背電極的制造采用直流磁控濺射法，在基底表面上用鉬-銅合金耙直流磁控濺射或鉬、銅雙耙直流磁控濺射，其濺射的工作氣體為高純氬氣，工作氣壓為0.05 10Pa，濺射功率為40 250W，熱處理 溫度為300 60(TC，從而沉積成鉬銅合金薄膜背電極。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的薄膜太陽電池制造方法，其特征在于步驟(2)吸收層的制 造采用濺射硫化法，即首先采用分步濺射或共濺射的方法形成銅-硅-錫合金預(yù)制層，通過在 元素硫或硫化氫氣氛下進(jìn)行硫化處理過程，硫化溫度為300 70(TC，擴(kuò)散形成銅硅錫硫薄膜。
9、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的薄膜太陽電池制造方法，其特征在于步驟(3)緩沖層的制 造采用射頻反應(yīng)磁控濺射法，其濺射的工作氣體為高純硫化氫與高純氬氣的混合氣體，其中 硫化氫的含量為1 100%，工作氣壓為0.05 10Pa，靶材為高純鋅耙或硫化鋅耙，濺射功率 為40 250W，基底溫度為200 40(TC，從而在光吸收層上沉積一層硫化鋅薄膜。
10、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的薄膜太陽電池制造方法，其特征在于步驟(4)窗口層的制 造采用直流磁控濺射法采用直流磁控濺射氧化鋁(1 5%)摻雜的氧化鋅耙，其濺射的工作 氣體為高純氬氣，工作氣壓為0.05 10Pa，濺射功率為40 250W，基底溫度為150 400°C， 從而沉積制備一層氧化鋅鋁薄膜。
11、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的薄膜太陽電池制造方法，其特征在于步驟(5)頂電極的制 造是在氧化鋅鋁薄膜上通過掩膜用蒸發(fā)的方法沉積一層鎳鋁合金薄膜。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種薄膜太陽電池及其制造方法。該薄膜太陽電池從下到上依次由玻璃基底、鉬銅背電極、銅硅錫硫(CSTS)光吸收層、硫化鋅(ZnS)緩沖層、氧化鋅鋁(ZAO)窗口層和鎳鋁頂電極構(gòu)成。其中光吸收層是采用濺射硫化法在背電極上沉積0.5～5μm的銅硅錫硫薄膜。本發(fā)明避免了稀貴金屬和有毒元素的使用，具有結(jié)構(gòu)及制造工藝簡(jiǎn)單、光電轉(zhuǎn)化效率高且穩(wěn)定性良好等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01L31/042GK101645469SQ200910108648
公開日2010年2月10日 申請(qǐng)日期2009年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月9日
發(fā)明者萍 劉, 賴延清 申請(qǐng)人:深圳丹邦投資集團(tuán)有限公司