專利名稱：柔性襯底銅銦鎵硒太陽電池的非真空堿金屬摻雜方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光伏太陽電池的制造方法，尤其是柔性襯底銅銦鎵硒太陽電池的非真空堿金屬摻雜方法。
背景技術(shù)：
以銅銦鎵硒薄膜作為吸收層的薄膜太陽電池具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率和良好的抗輻射性能，成為光伏電池領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。柔性襯底銅銦鎵硒(CIGS)太陽電池因具有重量輕、高重量比功率、適于大規(guī)模卷對(duì)卷生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)，在空間和地面都有著非常廣泛的應(yīng)用前景。近年來在材料、工藝及器件性能的實(shí)驗(yàn)與理論等方面的研究取得了相當(dāng)快的進(jìn)展，特別是吸收層工藝、設(shè)備改良等關(guān)鍵技術(shù)的突破，以及轉(zhuǎn)換效率指標(biāo)的不斷創(chuàng)新。然而因?yàn)椴牧咸匦?、制備工藝的差異，柔性襯底CIGS太陽電池的轉(zhuǎn)換效率通常低于玻璃襯底電池。為了提高柔性襯底CIGS太陽電池的轉(zhuǎn)換效率，需要對(duì)CIGS吸收層進(jìn)行改性處理。在CIGS吸收層中摻入堿金屬(如鈉元素)是一種十分有效的方法。通過精確控制堿金屬元素的含量，可以提高電池的開路電壓和填充因子，使得電池的轉(zhuǎn)換效率增加30%-50%。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，在CIGS薄膜中摻入堿金屬鈉(Na)元素，可以改變薄膜的載流子濃度、結(jié)構(gòu)取向、顆粒大小等性能。Na元素可以有效地減少CIGS薄膜中Inai替位缺陷和Se空位的數(shù)量，顯著增加空穴的濃度，降低薄膜的電阻。迄今為止，運(yùn)用于柔性CIGS電池的Na摻雜工藝主要包括:在柔性襯底上濺射堿-硅酸鹽玻璃薄膜、在柔性襯底上濺射摻Na的Mo背電極、在Mo背電極上蒸發(fā)Na化合物薄膜、在CIGS薄膜上蒸發(fā)Na化合物薄膜等，其中一般采用NaF、Na2S和Na2Se作為Na化合物薄膜。然而目前所報(bào)道的堿金屬摻雜方式均是采用高真空沉積的方式，隨著電池面積的增大，對(duì)制備工藝和真空設(shè)備等的要求極為苛刻，需要很大的設(shè)備投資，生產(chǎn)成本高，均勻性控制的難度也非常大。目前沒有發(fā)現(xiàn)同本發(fā)明類似技術(shù)的說明或報(bào)道，也尚未收集到國(guó)內(nèi)外類似的資料。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)的堿金屬摻雜方式均是采用高真空沉積的方式，隨著電池面積的增大，對(duì)制備工藝和真空設(shè)備等的要求極為苛刻、設(shè)備投資大、生產(chǎn)成本高、均勻性控制難度大等問題，本發(fā)明的目的在于提供一種柔性襯底銅銦鎵硒太陽電池的非真空堿金屬摻雜方法。利用本發(fā)明，可以在非真空條件下，實(shí)現(xiàn)柔性襯底銅銦鎵硒太陽電池的堿金屬摻雜。為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明為解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是提供一種柔性襯底銅銦鎵硒太陽電池的非真空堿金屬摻雜方法，包括如下步驟:步驟一、制備帶有Mo背電極的襯底；采用直流磁控濺射方法，在20 100 μ m厚度的金屬箔或聚酰亞胺柔性襯底上濺射雙層Mo薄膜，分別控制Ar氣為1.0Pa或0.25Pa，Mo層總厚度為0.7 1.0 μ m ;步驟二、配制堿金屬處理溶液；在去離子水中加入有機(jī)溶液甲醇和乙二醇，按照1: 2: I的比例配制成混合溶液，再在混合溶液中加入NaF化合物，通過攪拌，使其充分溶解，配制成濃度為0.05wt.0A Iwt.%的化學(xué)處理溶液；步驟三、堿金屬摻雜；將步驟一制備的帶有Mo背電極的襯底樣品浸入步驟二配制的處理溶液中，經(jīng)過30秒 10分鐘后取出樣品，待樣品表面的水分去除后，在Mo膜上沉積了一層Na化合物薄膜。上述步驟二可以是濃度為lwt.% 5wt.%的化學(xué)處理溶液。還可以是:處理溶液為去離子水和丙酮、乙醇按照1:1:1配制的混合液，在混合溶液中加入NaF化合物，配制成濃度為0.05wt.% 5wt.%的化學(xué)處理溶液。還可以是:在混合溶液中加入Na2S化合物，通過攪拌，使其充分溶解，配制成濃度為0.05wt.5wt.%的化學(xué)處理溶液。本發(fā)明柔性襯底銅銦鎵硒太陽電池的非真空堿金屬摻雜方法，由于采取上述的技術(shù)方案，在非真空條件下通過化學(xué)方法，在柔性襯底上沉積鈉化合物薄膜，縮短了制備時(shí)間，簡(jiǎn)化了工藝步驟，成功實(shí)現(xiàn)CIGS薄膜的堿金屬摻雜，有效的提高柔性銅銦鎵硒太陽電池的轉(zhuǎn)換效率。在CIGS薄膜吸收層上成功沉積堿金屬薄膜的基礎(chǔ)上，避免了復(fù)雜繁瑣的高真空工藝，簡(jiǎn)化了制備流程，降低了生產(chǎn)成本。因此，本發(fā)明取得了工藝簡(jiǎn)便、生產(chǎn)成本低、光電轉(zhuǎn)換效率高、無污染等有益效果。由于本發(fā)明避免了復(fù)雜繁瑣的高真空工藝，非常適合未來柔性銅銦鎵硒太陽電池的大規(guī)模生產(chǎn)。


圖1是本發(fā)明柔性襯底銅銦鎵硒太陽電池的非真空堿金屬摻雜方法示意圖；圖2是本發(fā)明制得的堿金屬NaF薄膜(處理溶液濃度為3wt.% )沉積在帶Mo薄膜的柔性襯底上的電子顯微鏡照片；圖3是本發(fā)明制得的堿金屬NaF薄膜(處理溶液濃度為0.5wt.% )沉積在帶Mo薄膜的柔性襯底上的電子顯微鏡照片；圖4是本發(fā)明制得的堿金屬Na2S (處理溶液濃度為lwt.% )薄膜沉積在帶Mo薄膜的柔性襯底上的電子顯微鏡照片。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合

本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。實(shí)施例1 ;圖1是本發(fā)明柔性襯底銅銦鎵硒太陽電池的非真空堿金屬摻雜方法的工藝示意圖，如圖1的實(shí)施例所示，處理溶液11為去離子水和甲醇、乙二醇按照一定比例(I: 2: I)配制的混合液，并在該混合溶液中加入NaF化合物,通過攪拌,使其充分溶解，配制成不同濃度(0.05wt.% lwt.% )的化學(xué)處理溶液；帶有已沉積Mo薄膜的柔性襯底10浸入處理溶液中，經(jīng)過30秒 10分鐘的浸泡后取出樣品，去除樣品表面的水分后，Na化合物薄膜沉積完成。
根據(jù)本發(fā)明，柔性襯底銅銦鎵硒太陽電池的非真空堿金屬摻雜方法包括如下具體的步驟:步驟一、制備帶有Mo背電極的襯底；采用直流磁控濺射方法，在20 100 μ m厚度的金屬箔或聚酰亞胺柔性襯底上濺射雙層Mo薄膜，分別控制Ar氣為1.0Pa或0.25Pa，Mo層總厚度為0.7 1.0 μ m。步驟二、配制堿金屬處理溶液；堿金屬處理溶液11的配制方法包括:在去離子水加入有機(jī)溶液甲醇和乙二醇，按照1: 2:1的比例配制成混合溶液，再在混合溶液中加入NaF化合物，通過攪拌，使其充分溶解，配制成濃度為3wt.%的化學(xué)處理溶液11。步驟三、堿金屬摻雜；將步驟一制備的帶有Mo背電極的襯底11浸入步驟二配制的處理溶液11中，經(jīng)過30秒 10分鐘后取出樣品，待樣品表面的水分去除后，在Mo膜上沉積了一層Na化合物薄膜。圖2即為本發(fā)明制得的堿金屬NaF薄膜沉積在帶Mo薄膜的柔性襯底上的電子顯微鏡照片。實(shí)施例2應(yīng)用本發(fā)明柔性襯底銅銦鎵硒太陽電池的非真空堿金屬摻雜方法的工藝過程如圖1所示，處理溶液11為去離子水和甲醇、乙二醇按照一定比例(I: 2: I)配制的混合液，并在該混合溶液中加入NaF化合物，通過攪拌，使其充分溶解,配制成不同濃度(lwt.% 5wt.% )的化學(xué)處理溶液；帶有已沉積Mo薄膜的柔性襯底10浸入處理溶液中，經(jīng)過一段時(shí)間(30秒 10分鐘)的浸泡后取出樣品，去除樣品表面的水分后，Na化合物薄膜沉積完成。根據(jù)本實(shí)施例，上述步驟二、配制堿金屬處理溶液，可以是，在混合溶液中加入NaF化合物，通過攪拌，使其充分溶解，配制成濃度為lwt.% 5wt.%的化學(xué)處理溶液。其余步驟同實(shí)施例1。實(shí)施例3應(yīng)用本發(fā)明方法柔性銅銦鎵硒太陽電池非真空堿金屬摻雜方法的處理工藝如圖1所示，處理溶液11為去離子水和丙酮、乙醇按照一定比例(I: I: I)配制的混合液，并在該混合溶液中加入NaF化合物,通過攪拌,使其充分溶解,配制成不同濃度(0.05wt.Yo 5wt.% )的化學(xué)處理溶液。圖3是本發(fā)明制得的堿金屬NaF薄膜(處理溶液濃度為
0.5wt.% )沉積在帶Mo薄膜的柔性襯底上的電子顯微鏡照片。根據(jù)本實(shí)施例，上述步驟二、配制堿金屬處理溶液，可以是，處理溶液11為去離子水和丙酮、乙醇按照比例1:1:1配制的混合液，在混合溶液中加入NaF化合物，通過攪拌，使其充分溶解，配制成濃度為0.05wt.% 5wt.%的化學(xué)處理溶液。其余步驟同實(shí)施例1o實(shí)施例4應(yīng)用本發(fā)明方法建立的柔性銅銦鎵硒太陽電池非真空堿金屬摻雜處理工藝如圖1所示，處理溶液11為去離子水和甲醇、乙二醇按照一定比例(I: 2: I)配制的混合液，并在該混合溶液中加入Na2S化合物,通過攪拌,使其充分溶解,配制成不同濃度(0.05wt.Yo 5wt.%)的化學(xué)處理溶液；帶有已沉積Mo薄膜的柔性襯底10浸入處理溶液中，經(jīng)過一段時(shí)間(30秒 10分鐘)的浸泡后取出樣品，去除樣品表面的水分后，Na化合物薄膜沉積完成。圖4是本發(fā)明制得的堿金屬Na2S (處理溶液濃度為lwt.% )薄膜沉積在帶Mo薄膜的柔性襯底上的電子顯微鏡照片。根據(jù)本實(shí)施例，上述步驟二、配制堿金屬處理溶液，可以是，在混合溶液中加入Na2S化合物，通過攪拌，使其充分溶解，配制成濃度為0.05wt.% 5wt.%的化學(xué)處理溶液。其余步驟同實(shí)施例1。由上所述，本發(fā)明的特征是開發(fā)了一種低成本的非真空處理技術(shù)，通過化學(xué)方法沉積Na化合物薄膜，實(shí)現(xiàn)CIGS薄膜的堿金屬摻雜。通過精確控制堿金屬元素的含量，改變薄膜特性，提高電池的開路電壓和填充因子，有效提高柔性銅銦鎵硒太陽電池的轉(zhuǎn)換效率。該技術(shù)具有成本低、工藝重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，避免了復(fù)雜繁瑣的高真空工藝，非常適合未來柔性銅銦鎵硒太陽電池的大規(guī)模生產(chǎn)。
權(quán)利要求
1.一種柔性襯底銅銦鎵硒太陽電池的非真空堿金屬摻雜方法，其特征在于，該方法包括如下步驟: 步驟一、制備帶有Mo背電極的襯底； 采用直流磁控濺射方法，在20 100 μ m厚度的金屬箔或聚酰亞胺柔性襯底上濺射雙層Mo薄膜，分別控制Ar氣為1.0Pa或0.25Pa，Mo層總厚度為0.7 1.0 μ m ; 步驟二、配制堿金屬處理溶液； 在去離子水中加入有機(jī)溶液甲醇和乙二醇，按照1: 2: I的比例配制成混合溶液，再在混合溶液中加入NaF化合物，通過攪拌，使其充分溶解，配制成濃度為0.05wt.% Iwt.%的化學(xué)處理溶液； 步驟三、堿金屬摻雜； 將步驟一制備的帶有Mo背電極的襯底樣品浸入步驟二配制的處理溶液中，經(jīng)過30秒 10分鐘后取出樣品，待樣品表面的水分去除后，在Mo膜上沉積了一層Na化合物薄膜。
2.如權(quán)利要求1所述的非真空堿金屬摻雜方法，其特征在于:所述的步驟二、配制堿金屬處理溶液，可以是:在混合溶液中加入NaF化合物，通過攪拌，使其充分溶解，配制成濃度為lwt.% 5wt.%的化學(xué)處理溶液。
3.如權(quán)利要求1所述的非真空堿金屬摻雜方法，其特征在于:所述的步驟二、配制堿金屬處理溶液，可以是:處理溶液為去離子水和丙酮、乙醇按照1:1:1配制的混合液，在混合溶液中加入NaF化合物，通過攪拌，使其充分溶解，配制成濃度為0.05wt.% 5wt.%的化學(xué)處理溶液。
4.如權(quán)利要求1所述的非真空堿金屬摻雜方法，其特征在于:所述的步驟二、配制堿金屬處理溶液，可以是:在混合溶液中加入Na2S化合物，通過攪拌，使其充分溶解，配制成濃度為0.05wt.% 5wt.%的化學(xué)處理溶液。
全文摘要
本發(fā)明涉及光伏太陽電池，公開了一種柔性襯底銅銦鎵硒太陽電池的非真空堿金屬摻雜方法。包括步驟一、制備帶有Mo背電極的襯底；二、配制堿金屬處理溶液；三、堿金屬摻雜。本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)的堿金屬摻雜方式均是采用高真空沉積的方式，需要很大的設(shè)備投資，生產(chǎn)成本高，均勻性控制難度大等問題，取得了工藝簡(jiǎn)便、生產(chǎn)成本低、光電轉(zhuǎn)換效率高、無污染等有益效果。
文檔編號(hào)H01L31/18GK103077998SQ20111033185
公開日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2011年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月26日
發(fā)明者吳敏, 曹章軼, 徐傳明, 錢峰偉 申請(qǐng)人:上?？臻g電源研究所