一種應(yīng)用于高效薄膜光電池的雙層結(jié)構(gòu)窗口層的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種新型的用于薄膜光電池的雙層結(jié)構(gòu)窗口層。雙層結(jié)構(gòu)窗口層，包括溶液法制備的納米金屬氧化物和真空濺射法制備的金屬氧化物層。該新型雙層結(jié)構(gòu)窗口層不但保持了真空濺射法制備的氧化物薄膜良好的致密性，同時(shí)由于納米金屬氧化物薄膜是通過溶液法來制備，避免了真空濺射過程中對其它功能層表面的破壞，從而有效地降低了界面復(fù)合，提高了光電池的FF和開路電壓。與單層納米金屬氧化物或者真空濺射制備的氧化物薄膜作為窗口層的器件相比，基于雙層結(jié)構(gòu)窗口層的薄膜光電池的轉(zhuǎn)換效率提高了15％以上。
【專利說明】—種應(yīng)用于高效薄膜光電池的雙層結(jié)構(gòu)窗口層

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光電子器件領(lǐng)域，涉及到一種新的可應(yīng)用于高效薄膜光電池的雙層結(jié)構(gòu)窗口層。

【背景技術(shù)】
[0002]薄膜光電池相比與多晶硅和單晶硅光電池來說，具有重量輕、生產(chǎn)能耗低、吸光性更高等優(yōu)點(diǎn)，因此受到人們的廣泛關(guān)注。薄膜光電池按照光吸收材料主要包括以下幾類:第一類，銅銦鎵硒、銅鋅錫硫、碲化鎘等無機(jī)化合物薄膜材料。第二類，有機(jī)聚合物和有機(jī)小分子。第三類，有機(jī)-無機(jī)復(fù)合材料，比如鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的材料。第四類，基于無機(jī)納米材料的量子點(diǎn)薄膜。但是目前薄膜類光伏器件的轉(zhuǎn)換效率相比與硅基器件來說普遍較低，為了能進(jìn)一步提高薄膜光伏技術(shù)的能量轉(zhuǎn)換效率、降低生產(chǎn)成本、增強(qiáng)其市場競爭力，優(yōu)化各個(gè)功能層并改善界面性能是一種非常重要的方法。以銅銦鎵硒為例，傳統(tǒng)的電池器件中采用真空濺射技術(shù)來制備氧化鋅窗口層，由于濺射過程中高能離子對之下功能層表面的轟擊破壞，會在功能層的界面產(chǎn)生大量的缺陷態(tài)，增加了光生電子空穴的復(fù)合，從而減小了器件的開路電壓和填充因子。為了解決這樣的問題，我們設(shè)計(jì)了納米金屬氧化物/金屬氧化物薄膜的雙層結(jié)構(gòu)窗口層，分別采用溶液法和真空濺射法來制備這兩個(gè)薄膜。由于和下層功能接觸的窗口層采用的是溶液法來制備的納米金屬氧化物薄膜，不會在界面引入缺陷，同時(shí)真空鍍膜技術(shù)制備的金屬氧化物薄膜因其高致密度又阻擋了漏電流，所以既提高了光伏器件的開路電壓和填充因子又不會因此而減少并聯(lián)電阻。這樣一個(gè)雙層結(jié)構(gòu)的窗口層可廣泛應(yīng)用于各種薄膜器件中，改善其界面性能，從而大幅提高能量轉(zhuǎn)換效率。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是設(shè)計(jì)和制備雙層結(jié)構(gòu)窗口層。
[0004]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0005]—種應(yīng)用于高效薄膜光電池的雙層結(jié)構(gòu)窗口層，其包括:金屬電極；光吸收層；緩沖層；雙層結(jié)構(gòu)窗口層，包括溶液法制備的納米金屬氧化物層和真空鍍膜技術(shù)制備的高致密度金屬氧化物薄膜；透明導(dǎo)電襯底。
[0006]優(yōu)選的，所述金屬導(dǎo)電薄膜選用鎳、鋁、金、銀、銅、鈦、鉻中的一種或多種，但不局限于此。
[0007]優(yōu)選的，所述光吸收層厚度在0.1 — 1um之間，為硒化鉛,硫化鉛等4_6族半導(dǎo)體，硫化鎘，硫化鋅，碲化鎘，硒化鎘，硒化鋅等2-6族半導(dǎo)體以及銅銦鎵硒、銅鋅錫硫等
1-3-5 族半導(dǎo)體以及 CH3NH3PbBrxIyC13-x-y、CH3NH3SnfcxIyC13-x-y 等鈣鈦礦型有機(jī)-無機(jī)復(fù)合半導(dǎo)體，和有機(jī)小分子和有機(jī)聚合物，比如PTB7、PSBTBT、PCPDTBT、P3HT和它們的衍生物與PCBM、IBCA等的混合物，但不局限于此。
[0008]優(yōu)選的，緩沖層選用電子傳輸材料，厚度在20 - 200nm之間，為氧化鋅和氧化鈦、硫化鎘、硫化鋅等η型半導(dǎo)體以及η型聚合物，比如F8BT和它們的衍生物等和η型小分子材料，比如ALQ，BCP和它們的衍生物等。
[0009]優(yōu)選的，所述雙層結(jié)構(gòu)窗口層包括溶液法制備的納米氧化物層和真空濺射法制備氧化物層，厚度在20-200納米之間,其中氧化物為氧化鋅、氧化鈦以及摻雜氧化物,其中摻雜物包括鋁、鎂、銦、鎵、鎘等但不局限于此。
[0010]優(yōu)選的，所述導(dǎo)電襯底為金屬氧化物透明導(dǎo)電薄膜，透明導(dǎo)電襯底為氧化銦錫薄膜或摻鋁、鎵、鎘的氧化鋅薄膜，厚度在20-2000納米之間。
[0011]本發(fā)明還公開了一種上述雙層結(jié)構(gòu)窗口層的制備方法，其中納米金屬氧化物利用溶液法制備在緩沖層上，厚度為2-200納米，然后在惰性氣體中進(jìn)行熱退火處理，襯底溫度是室溫-600度。退火處理后，再利用真空鍍膜法沉積致密度高的金屬氧化物薄膜，厚度在20-200納米之間。
[0012]優(yōu)選的，所述溶液法包括旋涂法、噴涂法、糟模法，但不局限于此。
[0013]優(yōu)選的，所述真空鍍膜法包括磁控濺射、熱蒸發(fā)、化學(xué)氣相沉積等，但不局限于此。
[0014]優(yōu)選的，所述金屬氧化物材料包括氧化鋅、氧化鈦以及摻雜氧化物，其中摻雜物包括鋁、鎂、銦、鎵、鎘等但不局限于此。
[0015]上述技術(shù)方案具有如下有益效果:該雙層結(jié)構(gòu)窗口層分別采用溶液法和真空濺射法來制備雙層薄膜。由于和下層功能層接觸的窗口層采用的是溶液法來制備的納米金屬氧化物薄膜，不會在界面引入缺陷，同時(shí)真空鍍膜技術(shù)制備的金屬氧化物薄膜因其高致密度又阻擋了漏電流，所以既提高了光伏器件的開路電壓和填充因子又不會因此而減少并聯(lián)電阻。。
[0016]上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，并可依照說明書的內(nèi)容予以實(shí)施，以下以本發(fā)明的較佳實(shí)施例并配合附圖詳細(xì)說明如后。本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】由以下實(shí)施例及其附圖詳細(xì)給出。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2為本發(fā)明實(shí)施例對銅銦鎵硒薄膜光電池效率提升的比較圖

【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)介紹。
[0020]如圖1所示，為應(yīng)用雙層結(jié)構(gòu)窗口層的銅銦鎵硒光伏器件的結(jié)構(gòu)示意圖。該器件包括:金屬背電極I ;銅銦鎵硒吸光層2 ;Ρ型緩沖層3 ;雙層結(jié)構(gòu)窗口層4，該窗口層包含溶液法制備的納米氧化鋅層和真空濺射法制備的高致密度氧化鋅層；和透明導(dǎo)電襯底5。
[0021]所述的金屬背電極I為氧化物透明導(dǎo)電薄膜，一般是鋁，但不局限于此，還包括金、銀、銅、鈦、鉻、鑰等其他金屬。金屬電極I上面是光吸收層2，厚度在0.1 -1Oum之間，為硒化鉛、硫化鉛等4-6族半導(dǎo)體，硫化鎘、硫化鋅、碲化鎘、硒化鎘、硒化鋅等
2-6族半導(dǎo)體以及銅銦鎵硒、銅鋅錫硫等1-3-5族半導(dǎo)體以及CH3NH3PbBrxIyC13-x-y、CH3NH3SnBrxIyC13-x-y等鈣鈦礦型有機(jī)-無機(jī)復(fù)合半導(dǎo)體、有機(jī)小分子和有機(jī)聚合物，比如PTB7、PSBTBT、PCPDTBT、P3HT和它們的衍生物與PCBM、IBCA等的混合物，但不局限于此。光吸收層2上面的緩沖層選用電子傳輸材料,厚度在20 — 200nm之間，為氧化鋅和氧化鈦、硫化鎘、硫化鋅等η型半導(dǎo)體以及η型聚合物，比如F8BT和它們的衍生物等和η型小分子材料，比如ALQ、BCP和它們的衍生物等。光吸收層2上面是雙層結(jié)構(gòu)的窗口層，首先是利用溶液法制備的納米金屬氧化物薄膜(泛指一切涂料法，如旋涂法、噴涂法、糟模法等)，所用旋涂法，可通過控制旋涂速度、溶液濃度和不同的旋涂次數(shù)便可以改變該功能層的厚度。通常情況下該活性層的厚度在20 - 200納米之間，該功能層是改善界面性能，減少缺陷態(tài)，隨后利用真空鍍膜技術(shù)制備高致密度的金屬氧化物層，主要的功能是減少器件漏電流。其中金屬氧化物通常為氧化鋅、氧化鈦以及摻雜氧化物，其中摻雜物包括鋁、鎂、銦、鎵、鎘等但不局限于此。最后是透明導(dǎo)電極5，為氧化物透明導(dǎo)電薄膜，通常為氧化銦錫薄膜或摻鋁、鎵、鎘的氧化鋅薄膜，厚度在20-2000納米之間。
[0022]下面以旋涂法為例對上述應(yīng)用雙層結(jié)構(gòu)窗口層的高效銅銦鎵硒光伏電池的制備方法進(jìn)行詳細(xì)介紹:
[0023]1.將鈉鈣玻璃在清洗劑中反復(fù)清洗，然后再經(jīng)過去離子水，丙酮和異丙醇溶液浸泡并超聲各15分鐘，最后用氮?dú)獯蹈刹⒔?jīng)過紫外臭氧處理15分鐘。
[0024]2.用真空沉積的方法制備鑰電極800納米左右。
[0025]3.將過濾后的具有一定化學(xué)組分比的銅銦鎵硒溶液以800轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速旋涂在金屬襯底上，低溫退火后(150-350度)，再重復(fù)同樣的旋涂過程，達(dá)到所需的厚度，其化學(xué)組分比分別為=Cua92IrvxGaxShSeyt5完成全部旋涂后，最后再高溫(250-550度)退火30分鐘，使前驅(qū)體反應(yīng)結(jié)晶，形成連續(xù)CIGS膜。
[0026]4.采用CBD制作η型硫化鎘層。
[0027]5.采用納米顆粒/磁控濺射方法制作窗口層。
[0028]6.制備氧化鋅溶液的工藝如下:
[0029]溶膠-凝膠溶液:配制0.02Μ的二水醋酸鋅的甲醇溶液，充分溶解后即成氧化鋅的溶膠-凝膠溶液。
[0030]利用旋涂法制備20納米厚的納米氧化鋅薄膜，然后磁控濺射沉積30納米厚的高致密度納米氧化鋅薄膜。
[0031]7.然后再用濺射真空沉積法制備氧化銦錫透明電極。
[0032]8.最后用熱蒸發(fā)制備鎳/鋁采集電極。
[0033]該新型雙層結(jié)構(gòu)窗口層由于和下層功能接觸的功能層采用的是溶液法來制備的納米金屬氧化物薄膜，不會在界面引入缺陷，同時(shí)真空鍍膜技術(shù)制備的金屬氧化物薄膜因其高致密度又阻擋了漏電流，所以既提高了光伏器件的開路電壓和填充因子又不會因此而減少并聯(lián)電阻。通過優(yōu)化雙層結(jié)構(gòu)窗口層分別的厚度和制備工藝，極大的提高了薄膜光電池的能量轉(zhuǎn)換效率。如圖2所示，相比單層氧化鋅窗口層器件，雙層結(jié)構(gòu)氧化鋅窗口層器件的能量轉(zhuǎn)換效率提高了 17%。
[0034]以上對本發(fā)明實(shí)施例所提供的新型雙層結(jié)構(gòu)窗口層行了詳細(xì)介紹，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的思想，在【具體實(shí)施方式】及應(yīng)用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制，凡依本發(fā)明設(shè)計(jì)思想所做的任何改變都在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種新型的雙層窗口層結(jié)構(gòu)，可用于高效薄膜光電池，其包括: 金屬背電極； 光吸收層； 緩沖層，該緩沖層和光吸收層形成Pn結(jié)，使光生電子空穴對解離； 雙層結(jié)構(gòu)窗口層，包括溶液法制備的納米氧化物層和真空濺射法制備氧化物層； 透明導(dǎo)電電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電池器件，其特征在于:所述金屬導(dǎo)電薄膜選用鎳、鋁、金、銀、銅、鈦、鉻中的一種或多種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光吸收層，其特征在于:所述光吸收層厚度在0.1 -1Oum之間，為硒化鉛、硫化鉛等4-6族半導(dǎo)體，硫化鎘、硫化鋅、碲化鎘、硒化鎘、硒化鋅等2-6組半導(dǎo)體以及銅銦鎵硒、銅鋅錫硫等1-3-5族半導(dǎo)體以及CH3NH3PbBrxIyC13-x-y、CH3NH3SnBrxIyC13-x-y等鈣鈦礦型有機(jī)-無機(jī)復(fù)合半導(dǎo)體和有機(jī)小分子和有機(jī)聚合物，比如PTB7、PSBTBT、PCPDTBT、P3HT和它們的衍生物與PCBM、IBCA等的混合物，但不局限于此。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙層結(jié)構(gòu)窗口層，其特征在于:所述雙層結(jié)構(gòu)窗口層包括溶液法制備的納米氧化物層和真空濺射法制備氧化物層，厚度在20-200納米之間。其中氧化物為氧化鋅、氧化鈦以及摻雜氧化物，其中摻雜物包括鋁、鎂、銦、鎵、鎘等但不局限于此。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的緩沖層，其特征在于:所述緩沖層層材料為硒化鉛、硫化鉛等4-6族半導(dǎo)體，硫化鎘、硫化鋅、碲化鎘、硒化鎘、硒化鋅等2-6族半導(dǎo)體以及1-3-5族半導(dǎo)體但不局限于此，其厚度為20-200納米。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電池器件，其特征在于:所述透明導(dǎo)電薄膜襯底為氧化銦錫薄膜或摻鋁、鎵、鎘的氧化鋅薄膜，厚度在20-2000納米之間。
7.一種應(yīng)用于高效光電池的雙層結(jié)構(gòu)窗口層，其特征在于，首先利用溶液法制備納米氧化物薄膜，厚度大約在2-200納米左右，然后再利用真空濺射的方法制備致密的氧化物薄膜。該新型雙層結(jié)構(gòu)窗口層不但保持了真空濺射法制備的氧化物薄膜良好的致密性，同時(shí)由于納米金屬氧化物薄膜是通過溶液法來制備，避免了真空濺射過程中對其它功能層表面的破壞，從而有效地降低了界面復(fù)合，提高了光電池的FF和開路電壓。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用雙層結(jié)構(gòu)窗口層的高效光伏電池的制備方法，其特征在于:納米金屬氧化物是顆粒尺寸在2-20納米之間的納米材料并利用溶液法沉積在光吸收層(2)和金屬背電極(I)上。而另一方面，通過真空鍍膜技術(shù)，比如磁控濺射、熱蒸發(fā)、化學(xué)氣相沉積等制備致密的金屬氧化物薄膜；雙層窗口層的總厚度在2-200納米之間。
【文檔編號】H01L31/18GK104362186SQ201410563452
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年10月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月21日
【發(fā)明者】錢磊, 章婷, 謝承智, 劉德昂 申請人:蘇州瑞晟納米科技有限公司