一種銅銦鎵硒薄膜太陽能電池?zé)o鎘緩沖層的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種銅銦鎵硒薄膜太陽能電池?zé)o鎘緩沖層的制備方法。本發(fā)明將硫化鋅粉末在15MPa下保持10s壓實(shí)成薄圓柱形片，直徑1.3cm，厚度2mm，然后在氮?dú)獗Ｗo(hù)下800oC或1000oC度燒結(jié)，待溫度降為室溫取出，放入電子束蒸發(fā)鍍膜系統(tǒng)所帶的銅坩堝內(nèi)，以充滿銅坩堝的三分之二為宜，在普通玻璃襯底上進(jìn)行電子束蒸發(fā)鍍膜，制備ZnS薄膜，通過改變適當(dāng)?shù)碾娮邮?、束流掃描范圍、蒸發(fā)高壓、蒸發(fā)壓強(qiáng)、蒸發(fā)時(shí)間、基板溫度以及后退火處理溫度等條件制備了具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的多晶ZnS緩沖層薄膜，該薄膜具有寬的光學(xué)帶隙、可見光區(qū)透射率高、表面平整度高、顆粒粒徑小的特點(diǎn)，適合作為銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的無鎘緩沖層薄膜。
【專利說明】—種銅銦鎵砸薄膜太陽能電池?zé)o鎘緩沖層的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于薄膜太陽能電池關(guān)鍵材料【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種銅銦鎵硒薄膜太陽能電池?zé)o鎘緩沖層的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]黃銅礦結(jié)構(gòu)的薄膜太陽能電池以其轉(zhuǎn)換效率高、帶隙可調(diào)、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是較為理想的光電轉(zhuǎn)換器件，這類薄膜太陽能電池通常是指吸收層為Cu(In，Ga)Se2 (CIGS)、CuInS2(CIS)和 Cu (In, Ga) (S，Se) 2 (CIGSSe)的太陽電池，作為主要對太陽光譜響應(yīng)的這類電池一般具有類似這樣的疊層結(jié)構(gòu):g I as s/Mo/C IGS (CZTS) /CdS/ 1-ZnO/Ζη0:Α1,即需要在透明電極窗口層(transparent conductive oxide, TC0)和吸收層之間沉積一層緩沖層薄膜，CdS薄膜最常采用的緩沖層薄膜，但緩沖層CdS因重金屬元素Cd的存在導(dǎo)致其對環(huán)境不利，因此尋求環(huán)保型CIGS電池緩沖層成為近年來此類電池研究的熱點(diǎn)。另一方面，CdS的光學(xué)帶隙(2.4-2.5eV)在短波長范圍受限，從而很難使電池的性能達(dá)到最優(yōu)，這也是近年來阻礙CIGS薄膜太陽電池技術(shù)發(fā)展的主要因素之一，因此，尋求性能良好的無鎘緩沖層對CIGS薄膜電池進(jìn)一步大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化至關(guān)重要！ ZnS薄膜不僅消除了含鎘緩沖層存在的環(huán)境污染隱患，而且?guī)秾?，與吸收層可以有更好的匹配，可以拓寬電池對太陽光譜的響應(yīng)范圍，被認(rèn)為是一種較為理想的替代CdS緩沖層薄膜的材料。目前制備銅銦鎵硒薄膜太陽能電池?zé)o鎘緩沖層的方法很多，主要以化學(xué)浴有化學(xué)浴沉積法為主，其他如濺射法、化學(xué)氣相沉積法、原子層沉積法、蒸發(fā)法等較少，而采用化學(xué)法制備緩沖層薄膜，不僅引入了廢液處理的過程，還增加了后處理過程。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提出一種銅銦鎵硒薄膜太陽能電池?zé)o鎘緩沖層的制備方法。
[0004]本發(fā)明提出的銅銦鎵硒薄膜太陽能電池?zé)o鎘緩沖層的制備方法，具體為:
以市售化學(xué)純ZnS粉末為原料，在15 MPa下保持10 s壓實(shí)成薄圓柱形片，直徑1.3 cm,
厚度2 mm，將圓柱片在氮?dú)獗Ｗo(hù)下800°C或1000°C度燒結(jié)12 h，待溫度降為室溫取出，放入電子束蒸發(fā)鍍膜系統(tǒng)所帶的銅坩堝內(nèi)，以充滿銅坩堝的三分之二為宜，分別在玻璃襯底和石英襯底上進(jìn)行電子束蒸發(fā)鍍膜，制備ZnS薄膜，本底壓強(qiáng)為5.0X 10_3Pa~5.0X 10_4Pa，在基板溫度為室溫或者加熱到一定溫度的條件下，控制電子束蒸發(fā)高壓為6 kV或8 kV檔位，掃描電流為X為0.6 mA, Y為O mA，掃描波動(dòng)范圍為正負(fù)0.05 mA，蒸鍍時(shí)壓強(qiáng)為0.05Pa~0.1 Pa，電子束流為25 mA~250 mA，蒸發(fā)時(shí)間為5~45 min,即得硫化鋅薄膜，將薄膜移入退火爐中進(jìn)行退火處理，并且在氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行，退火處理時(shí)間為I~3 h，即形成具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnS薄膜。
[0005]進(jìn)一步說，ZnS壓實(shí)圓柱片燒結(jié)后呈纖鋅礦結(jié)構(gòu)，經(jīng)電子束蒸發(fā)室溫制備的ZnS薄膜為非晶結(jié)構(gòu)，經(jīng)氮?dú)獗Ｗo(hù)退火后為纖鋅礦結(jié)構(gòu)。
[0006]進(jìn)一步說，蒸發(fā)時(shí)基板溫度為25°C。[0007]進(jìn)一步說，蒸鍍時(shí)不通入任何氣體，基板室溫時(shí)工作壓強(qiáng)為0.05 Pa。
[0008]進(jìn)一步說，燒結(jié)的ZnS圓柱片數(shù)量為20個(gè)才能達(dá)到蒸發(fā)坩堝的三分之二以上。
[0009]進(jìn)一步說，在ZnS圓柱片燒結(jié)的過程和ZnS薄膜的退火過程，氮?dú)饬鲃?dòng)態(tài)保護(hù)，即開始升溫時(shí)即通入氮?dú)庵敝两禍剡^程降到80°C以下取出前關(guān)閉氮?dú)狻?br> [0010]進(jìn)一步說，燒結(jié)和退火過程的保護(hù)氮?dú)鉃楦呒兊獨(dú)猓兌葹?9.999%。
[0011]進(jìn)一步說，所制備的ZnS薄膜的顆粒粒徑為13.2納米。
[0012]本發(fā)明的有益效果是:該方法制備的無鎘緩沖層ZnS薄膜，具有結(jié)晶性能好、晶粒細(xì)小、表面平整度高的特點(diǎn)，并且薄膜的帶隙寬、可見光區(qū)透明性好，利于提高太陽能電池的效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1所制備的ZnS圓柱片燒結(jié)后的X射線衍射圖。
[0014]圖2所制備的無鎘緩沖層ZnS薄膜的X射線衍射圖。
[0015]圖3所制備的無鎘緩沖層ZnS薄膜的SEM照片。
[0016]圖4所制備的無鎘緩沖層ZnS薄膜透射譜曲線。
[0017]圖5所制備的無鎘緩沖層ZnS薄膜的光學(xué)帶隙圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面通過具體實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明:
實(shí)施例1，以市售化學(xué)純ZnS粉末為原料，在15 MPa下保持10 s壓實(shí)成薄圓柱形片，直徑1.3 cm，厚度2 mm，將圓柱片在氮?dú)獗Ｗo(hù)下800°C和1000°C度燒結(jié)12 h，待溫度降為室溫后取出，放入電子束蒸發(fā)鍍膜系統(tǒng)所帶的銅坩堝內(nèi)，以充滿銅坩堝的三分之二為宜，在普通玻璃襯底上進(jìn)行電子束蒸發(fā)鍍膜，制備ZnS薄膜，本底壓強(qiáng)為5.0X 10_4Pa，在基板溫度為室溫的條件下，控制電子束蒸發(fā)高壓為6 kV檔位，掃描電流為X為0.6 mA, Y為O mA，掃描波動(dòng)范圍為正負(fù)0.05 mA，蒸鍍時(shí)壓強(qiáng)為0.05 Pa，電子束流為25 mA，蒸發(fā)時(shí)間為5 min,即得硫化鋅薄膜，將薄膜移入退火爐中進(jìn)行400°C退火處理，并且在氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行，退火處理時(shí)間為3 h，即形成具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnS薄膜。圖1是燒結(jié)后的ZnS圓柱片的X射線衍射圖。
[0019]實(shí)施例2，以市售化學(xué)純ZnS粉末為原料，在15 MPa下保持10 s壓實(shí)成薄圓柱形片，直徑1.3 cm，厚度2 mm，將圓柱片在氮?dú)獗Ｗo(hù)下1000°C度燒結(jié)12 h，待溫度降為室溫后取出，放入電子束蒸發(fā)鍍膜系統(tǒng)所帶的銅坩堝內(nèi)，以充滿銅坩堝的三分之二為宜，在普通玻璃襯底上進(jìn)行電子束蒸發(fā)鍍膜，制備ZnS薄膜，本底壓強(qiáng)為5.0X 10_4Pa，在基板溫度為室溫的條件下，控制電子束蒸發(fā)高壓為6 kV檔位，掃描電流為X為0.6 mA, Y為O mA，掃描波動(dòng)范圍為正負(fù)0.05 mA，蒸鍍時(shí)壓強(qiáng)為0.1 Pa，電子束流為25 mA，蒸發(fā)時(shí)間為15 min,即得硫化鋅薄膜，將薄膜移入退火爐中進(jìn)行400°C退火處理，并且在氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行，退火處理時(shí)間為3 h，即形成具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnS薄膜。圖2是所制備的ZnS薄膜在未退火和400°C退火后的XRD圖比較。
[0020]實(shí)施例3，以市售化學(xué)純ZnS粉末為原料，在15 MPa下保持10 s壓實(shí)成薄圓柱形片，直徑1.3 cm，厚度2 mm，將圓柱片在氮?dú)獗Ｗo(hù)下1000°C度燒結(jié)12 h，待溫度降為室溫后取出，放入電子束蒸發(fā)鍍膜系統(tǒng)所帶的銅坩堝內(nèi)，以充滿銅坩堝的三分之二為宜，在普通玻璃襯底上進(jìn)行電子束蒸發(fā)鍍膜，制備ZnS薄膜，本底壓強(qiáng)為5.0X10_4Pa，在基板溫度為室溫的條件下，控制電子束蒸發(fā)高壓為6 kV檔位，掃描電流為X為0.6 mA, Y為O mA，掃描波動(dòng)范圍為正負(fù)0.05 mA，蒸鍍時(shí)壓強(qiáng)為0.1 Pa，電子束流為50 mA，蒸發(fā)時(shí)間為5 min,即得硫化鋅薄膜，將薄膜移入退火爐中進(jìn)行600°C退火處理，并且在氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行，退火處理時(shí)間為3 h，即形成具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnS薄膜。圖3是所制備的ZnS薄膜的SEM圖，圖4和圖5分別為所制備薄膜的透射率譜和光學(xué)帶隙圖。
【權(quán)利要求】
1.一種銅銦鎵硒薄膜太陽能電池?zé)o鎘緩沖層的制備方法，該無鎘緩沖層薄膜材料為硫化鋅薄膜，由氮?dú)獗Ｗo(hù)燒結(jié)和電子束蒸發(fā)鍍膜技術(shù)結(jié)合制備獲得，其中薄膜厚度為30?500 nm可調(diào)，具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)，薄膜的光學(xué)帶隙寬度為3.75 eV，可見光區(qū)域的平均透射率高于60%，具體制備步驟如下:以市售化學(xué)純ZnS粉末為原料，在15 MPa下保持10 s壓實(shí)成薄圓柱形片，直徑1.3 cm，厚度2 mm，將圓柱片在氮?dú)獗Ｗo(hù)下800°C或1000°C度燒結(jié)12h，待溫度降為室溫取出，放入電子束蒸發(fā)鍍膜系統(tǒng)所帶的銅坩堝內(nèi)，以充滿銅坩堝的三分之二為宜，分別在玻璃襯底和石英襯底上進(jìn)行電子束蒸發(fā)鍍膜，制備ZnS薄膜，本底壓強(qiáng)為5.0X 10_3Pa?5.0X 10_4Pa，在基板溫度為室溫或者加熱到一定溫度的條件下，控制電子束蒸發(fā)高壓為6 kV或8 kV檔位，掃描電流為X為0.6 mA, Y為O mA，掃描波動(dòng)范圍為正負(fù)0.05 mA，蒸鍍時(shí)壓強(qiáng)為0.05 Pa?0.1 Pa，電子束流為25 mA?250 mA，蒸發(fā)時(shí)間為5?45 min,即得硫化鋅薄膜，將薄膜移入退火爐中進(jìn)行退火處理，并且在氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行，退火處理時(shí)間為I?3 h，即形成具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnS薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征是ZnS壓實(shí)圓柱片燒結(jié)后呈纖鋅礦結(jié)構(gòu)，經(jīng)電子束蒸發(fā)室溫制備的ZnS薄膜為非晶結(jié)構(gòu)，經(jīng)氮?dú)獗Ｗo(hù)退火后為纖鋅礦結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征是蒸發(fā)時(shí)基板溫度為25°C。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征是蒸鍍時(shí)不通入任何氣體，基板室溫時(shí)工作壓強(qiáng)為0.05 Pa。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征是燒結(jié)的ZnS圓柱片數(shù)量為20個(gè)才能達(dá)到蒸發(fā)坩堝的三分之二以上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征是在ZnS圓柱片燒結(jié)的過程和ZnS薄膜的退火過程，氮?dú)饬鲃?dòng)態(tài)保護(hù)，即開始升溫時(shí)即通入氮?dú)庵敝两禍剡^程降到80°C以下取出前關(guān)閉氮?dú)狻?br> 7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征是燒結(jié)和退火過程的保護(hù)氮?dú)鉃楦呒兊獨(dú)猓兌葹?9.999%。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征是所制備的ZnS薄膜的顆粒粒徑為13.2納米。
【文檔編號】H01L31/18GK103972329SQ201410192004
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月7日
【發(fā)明者】黃延偉, 肖樂凡 申請人:杭州電子科技大學(xué)