專利名稱：銅銦鎵硒薄膜電池的制備方法
銅銦鎵硒薄膜電池的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件的制備方法，特別是涉及一種銅銦鎵硒薄膜電池的制 備方法。
背景技術(shù)：
銅銦鎵硒(Cu (In，Ga) Se2，簡稱CIGS)薄膜光伏電池具有低成本、高效率、穩(wěn)定性好 等優(yōu)點，是公認(rèn)的最具有發(fā)展和市場潛力的第二代太陽能電池。人們對其研究興起于上個 世紀(jì)八十年代初，經(jīng)過近三十年的發(fā)展，銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的理論研究以及制備工 藝取得了可喜的成果，目前其最高實驗室光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到21. 1%，是目前轉(zhuǎn)化效率最高 的薄膜太陽能光伏電池。銅銦鎵硒薄膜太陽能電池一般通過以下步驟制成在襯底上形成背電極；在前電 極上形成半導(dǎo)體層；在半導(dǎo)體層上形成柵電極。然而，對于大尺寸的襯底來說，由透明導(dǎo)電 材料制成的背電極的電阻較大，由此導(dǎo)致能量損失較大。一種解決上訴問題的方法是將銅銦鎵硒薄膜太陽能電池通過機(jī)械劃線的方法分 割成多個子電池，并且將該多個子電池串聯(lián)起來。然而，請參閱圖1，采用機(jī)械劃線法切割背電極時，由于薄膜較脆，導(dǎo)致切割線的寬 度不均勻，并且劃線過程中會產(chǎn)生大量殘渣、碎片，從而容易導(dǎo)致子電池短路。

發(fā)明內(nèi)容基于此，有必要提供一種避免子電池短路的制備銅銦鎵硒薄膜電池的方法?！N銅銦鎵硒薄膜電池的制備方法，包括如下步驟在玻璃襯底的一側(cè)形成金屬 背電極層；從玻璃襯底遠(yuǎn)離該金屬背電極層的一側(cè)發(fā)射穿透玻璃襯底的第一激光束，以形 成穿透金屬背電極層的第一刻槽；在金屬背電極層上及第一刻槽表面形成銅銦鎵硒光吸收 層；在銅銦鎵硒光吸收層上形成緩沖層；在緩沖層上形成阻擋層；發(fā)射第二激光束，以在阻 擋層上蝕刻形成深入至金屬背電極層的第二刻槽；在阻擋層和第二刻槽表面形成窗口層； 發(fā)射第三激光束，以在窗口層上蝕刻形成深入至金屬背電極層的第三刻槽。在優(yōu)選的實施例中，第一激光束、第二激光束及第三激光束的波長范圍為248 1064nm，掃描速度為20 2000mm/sec，調(diào)節(jié)頻率為30 80KHz。在優(yōu)選的實施例中，第一激光束、第二激光束及第三激光束的波長相等。在優(yōu)選的實施例中，蝕刻第一刻槽時，第一刻槽寬小于等于60 μ m，刻蝕完畢后將 玻璃襯底浸入10 30MQ/cm的去離子水中超聲震蕩清洗2 10分鐘，用乙醇溶液沖洗， 并用氮氣吹干。在優(yōu)選的實施例中，第二刻槽的寬度為50 300 μ m，第二刻槽與第一刻槽的間距 為 200 400 μ m。在優(yōu)選的實施例中，第三刻槽的寬度為30 200 μ m，第三刻槽與第二刻槽的間距 為 200 400 μ m。
上述制備方法中，通過從玻璃襯底遠(yuǎn)離金屬背電極層的一側(cè)發(fā)射穿透玻璃襯底的 第一激光束來蝕刻形成第一刻槽，可以提高蝕刻質(zhì)量及清潔蝕刻殘渣，使分割成的子電池 的背電極絕緣效果較好，不易短路。

圖1為傳統(tǒng)的銅銦鎵硒薄膜電池的局部顯微放大照片；圖2為一實施例的銅銦鎵硒薄膜電池的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為一實施例的銅銦鎵硒薄膜電池的制備方法流程圖；圖4為圖2所示銅銦鎵硒薄膜電池的局部顯微放大照片。
具體實施方式下面將結(jié)合附圖及實施例對銅銦鎵硒薄膜電池的制備方法作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。請參閱圖2，一實施例的銅銦鎵硒薄膜電池100包括依次疊合的玻璃襯底10、金屬 背電極層20、光吸收層30、緩沖層40、阻擋層50、窗口層60。玻璃襯底10可為鈉鈣玻璃襯底。金屬背電極層20可為金屬鉬(Mo)背電極層。金屬背電極層20上開設(shè)有深入至 玻璃襯底10的第一刻槽21。光吸收層30可為ρ型銅銦鎵硒吸收層。緩沖層40可為CdS緩沖層。阻擋層50可為本征高阻i-ZnO阻擋層。窗口層60可為Ζη0:Α1透明高電導(dǎo)前電極窗口層。窗口層60上開設(shè)有深入至金 屬背電極層20的第三刻槽61。請一并參閱圖3，上述銅銦鎵硒薄膜電池100的制備方法包括如下步驟步驟S101，提供一平板狀的玻璃襯底10，并在玻璃襯底10的一側(cè)形成金屬背電極 層20?？刹捎弥绷鞔趴貫R射的方法在玻璃襯底10上沉積約1 μ m厚的Mo，以形成金屬背電 極層20。步驟S102，從玻璃襯底10遠(yuǎn)離金屬背電極層20的一側(cè)發(fā)射穿透玻璃襯底10的 第一激光束，以形成穿透金屬背電極層20的第一刻槽21，以劃分出電池單元，保證各單元 之間絕緣。第一激光束優(yōu)選為波長范圍為248 1064nm的脈沖激光，掃描速度為20 2000mm/sec，調(diào)節(jié)頻率為30 80KHz。第一刻槽21的寬度不超過60微米。從玻璃襯底10 遠(yuǎn)離金屬背電極層20的一側(cè)發(fā)射激光束可有效減少劃線產(chǎn)生的殘渣和碎片?？涛g完畢后， 將玻璃襯底10浸入10 30MQ/cm的去離子水中超聲震蕩清洗2 10分鐘，用乙醇溶液 沖洗，并用氮氣吹干?？涛g完畢后，金屬背電極層20位于第一刻槽21兩側(cè)的部位完全絕緣 或電阻達(dá)到200 500ΜΩ。步驟S103，在金屬背電極層20上形成銅銦鎵硒光吸收層30?？刹捎盟脑锤邷毓?蒸發(fā)工藝或者濺射硒化工藝在金屬背電極層20上沉積略大于2 μ m厚的Cu (In, Ga) Se2薄 膜，以形成銅銦鎵硒光吸收層30。步驟S104，在銅銦鎵硒光吸收層30上形成緩沖層40?？赏ㄟ^化學(xué)水浴法在光吸 收層30上形成約50nm厚的CdS，以形成緩沖層40。
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步驟S105，在緩沖層40上形成阻擋層50?？赏ㄟ^射頻磁控濺射的方法在緩沖層 40沉積約50nm厚的i_ZnO，以形成阻擋層50。步驟S106，發(fā)射第二激光束，以在阻擋層50上蝕刻形成深入至金屬背電極層20的 第二刻槽51，使得后續(xù)步驟形成的窗口層60與裸露的金屬背電極層20接觸實現(xiàn)相鄰電池 單元串聯(lián)。第二激光束的波長范圍為248 1064nm，優(yōu)選與第一激光束的波長相同，掃描 速度為20 2000mm/sec，調(diào)節(jié)頻率為30 80KHz。蝕刻時，第二激光束將銅銦鎵硒光吸收 層30中Se元素蒸發(fā)，形成富銅熔融導(dǎo)電相，刻蝕區(qū)域呈現(xiàn)銅的金屬光澤，邊緣有燒結(jié)跡象。 第二刻槽51的寬度為50 300 μ m,第二刻槽51與第一刻槽21的間距為200 400 μ m。 刻蝕完畢后，第二刻槽51兩側(cè)的區(qū)域電阻減小。步驟S107，在阻擋層50和第二刻槽51表面形成窗口層60?？赏ㄟ^射頻磁控濺射 的方法在阻擋層50上沉積約500nm厚ZnO:Al，以形成窗口層60。步驟S108，發(fā)射第三激光束，以在窗口層60上蝕刻形成深入至金屬背電極層20的 第三刻槽61。第三激光束的波長范圍為248 1064nm，優(yōu)選與第一激光束的波長相同，掃 描速度為20 2000mm/sec，調(diào)節(jié)頻率為30 80KHz。第三刻槽61的寬度為30 300 μ m， 第三刻槽61與第二刻槽51的間距為200 400 μ m。第一刻槽21、第二刻槽51與第三刻 槽61的間隔控制在幾百微米以內(nèi)，盡量減小無用的電池死區(qū)。最后形成完整的電池單元組 件，各組件間串聯(lián)。與常規(guī)CIGS薄膜光伏太陽能電池采用機(jī)械劃線相比，上述激光刻蝕方法具有以 下優(yōu)點蝕刻精確度高(達(dá)到微米級)，使得電池有效面積損失率小，利用率高；準(zhǔn)確的能量 控制，使得待加工膜層被整齊分割，導(dǎo)電層不受損傷。上述方法中，通過對銅銦鎵硒薄膜電 池100的金屬背電極層20進(jìn)行第一次激光蝕刻及后續(xù)處理，可以提高蝕刻質(zhì)量及清潔蝕刻 殘渣，使分割成的子電池的背電極絕緣效果更好。在阻擋層50采用激光刻蝕技術(shù)進(jìn)行第二 次激光蝕刻，使第二刻槽51形成富銅熔融導(dǎo)電相，不產(chǎn)生劃線碎片，降低了子電池短路的 可能。在窗口層60表面采用激光刻蝕技術(shù)進(jìn)行第三次激光蝕刻，可精確控制線間距及線 寬，減少電池有效面積的損失，避免破壞金屬背電極層20，形成壞點。這種全部采用激光蝕 刻完成薄膜太陽能電池子電池串并聯(lián)的方法，損失面積小，降低了子電池內(nèi)部由于劃線殘 渣產(chǎn)生的短路等缺陷，經(jīng)濟(jì)有效，更加適合大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。下面結(jié)合具體實施例來進(jìn)一步說明。實施例1 以鈉鈣玻璃為襯底，襯底厚2mm，用直流磁控濺射工藝濺射鉬金屬靶材 沉積鉬金屬背電極層，厚度為2 μ m。采用532nm波長的激光束從玻璃面一側(cè)對鉬金屬背電 極層進(jìn)行第一次蝕刻，頻率30KHz，掃描速度SOOmm/sec，刻蝕線寬50微米。蝕刻完畢后，放 入電阻為18兆歐的去離子水中超聲震蕩3分鐘，80%乙醇溶液沖洗，高壓氮氣吹干。用磁 控濺射后硒化工藝沉積CIGS吸收層，厚度為0. 5 μ m。用化學(xué)水浴法沉積CdS緩沖層，厚度 為0. 05 μ m。用射頻磁控濺射工藝濺射ZnO陶瓷靶材沉積本征ZnO高阻層，厚度0. 05 μ m。 采用532nm波長的激光束對本征ZnO高阻層進(jìn)行第二次蝕刻，頻率50KHz，掃描速度800mm/ sec，線間距200微米，刻蝕線寬130微米。用射頻磁控濺射工藝濺射摻雜Al2O3濃度0. 2wt% 的Ζη0:Α1陶瓷靶材制備窗口層。采用532nm波長的激光束對窗口層進(jìn)行第三次蝕刻，頻 率50KHz，掃描速度600mm/sec，線間距200微米，刻蝕線寬100微米。至此獲得層間互聯(lián)的 CIGS薄膜光伏太陽能電池。
圖4為實施例1的CIGS薄膜光伏太陽能電池的局部顯微放大照片。與圖1相比 較可知，與傳統(tǒng)的機(jī)械劃線法相比，上述激光蝕刻法所產(chǎn)生的刻槽的邊緣較為平滑，刻槽寬 度較小且較為均勻，電池有效面積損失率小，利用率高。實施例2 以鈉鈣玻璃為襯底，襯底厚2mm，用直流磁控濺射工藝濺射鉬金屬靶材 沉積鉬金屬背電極層，厚度為2 μ m。采用248nm波長的激光束從玻璃面一側(cè)對鉬金屬背電 極層進(jìn)行第一次蝕刻，頻率50KHz，掃描速度900mm/sec，刻蝕線寬50微米。蝕刻完畢后，放 入電阻為18兆歐的去離子水中超聲震蕩3分鐘，80%乙醇溶液沖洗，高壓氮氣吹干。用磁控 濺射后硒化工藝沉積CIGS吸收層，厚度為0. 5 μ m。用化學(xué)水浴法沉積CdS緩沖層，厚度為 0. 05 μ m。用射頻磁控濺射工藝濺射ZnO陶瓷靶材沉積本征ZnO高阻層，厚度0. 05 μ m。采 用248nm波長的激光束對窗口層進(jìn)行第二次蝕刻，頻率70KHz，掃描速度SOOmm/sec，線間距 200微米，刻蝕線寬130微米。用射頻磁控濺射工藝濺射摻雜Al2O3濃度0. 2wt%的ZnO: Al 陶瓷靶材制備窗口層，采用248nm波長的激光束對窗口層進(jìn)行第三次蝕刻，頻率30KHz，掃 描速度600mm/sec，線間距200微米，刻蝕線寬100微米。至此獲得層間互聯(lián)的CIGS薄膜光 伏太陽能電池。以上所述實施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并 不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員 來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保 護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
一種銅銦鎵硒薄膜電池的制備方法，其特征在于，包括如下步驟在玻璃襯底的一側(cè)形成金屬背電極層；從該玻璃襯底遠(yuǎn)離該金屬背電極層的一側(cè)發(fā)射穿透該玻璃襯底的第一激光束，以形成穿透該金屬背電極層的第一刻槽；在該金屬背電極層上及該第一刻槽表面形成銅銦鎵硒光吸收層；在該銅銦鎵硒光吸收層上形成緩沖層；在該緩沖層上形成阻擋層；發(fā)射第二激光束，以在該阻擋層上蝕刻形成深入至該金屬背電極層的第二刻槽；在該阻擋層和該第二刻槽表面形成窗口層；發(fā)射第三激光束，以在該窗口層上蝕刻形成深入至該金屬背電極層的第三刻槽。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銅銦鎵硒薄膜電池的制備方法，其特征在于該第一激光束、 該第二激光束及該第三激光束的波長范圍為248 1064nm，掃描速度為20 2000mm/sec， 調(diào)節(jié)頻率為30 80KHz。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的銅銦鎵硒薄膜電池的制備方法，其特征在于該第一激光束、 該第二激光束及該第三激光束的波長相等。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銅銦鎵硒薄膜電池的制備方法，其特征在于蝕刻第一刻槽 時，該第一刻槽寬小于等于60 μ m，刻蝕完畢后將該玻璃襯底浸入10 30MQ/cm的去離子 水中超聲震蕩清洗2 10分鐘，用乙醇溶液沖洗，并用氮氣吹干。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銅銦鎵硒薄膜電池的制備方法，其特征在于，該第二刻槽的 寬度為50 300 μ m,該第二刻槽與該第一刻槽的間距為200 400 μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銅銦鎵硒薄膜電池的制備方法，其特征在于該第三刻槽的 寬度為30 200 μ m,該第三刻槽與該第二刻槽的間距為200 400 μ m
全文摘要
一種銅銦鎵硒薄膜電池的制備方法，包括如下步驟在玻璃襯底的一側(cè)形成金屬背電極層；從玻璃襯底遠(yuǎn)離該金屬背電極層的一側(cè)發(fā)射穿透玻璃襯底的第一激光束，以形成穿透金屬背電極層的第一刻槽；在金屬背電極層上及第一刻槽表面形成銅銦鎵硒光吸收層；在銅銦鎵硒光吸收層上形成緩沖層；在緩沖層上形成阻擋層；發(fā)射第二激光束，以在阻擋層上蝕刻形成深入至金屬背電極層的第二刻槽；在阻擋層和第二刻槽表面形成窗口層；發(fā)射第三激光束，以在窗口層上蝕刻形成深入至金屬背電極層的第三刻槽。上述方法制備的銅銦鎵硒薄膜電池具有不易短路的優(yōu)點。
文檔編號H01L31/18GK101980377SQ201010278999
公開日2011年2月23日 申請日期2010年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月9日
發(fā)明者馬續(xù)航 申請人:中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院