一種柔性襯底上制備高結(jié)合力吸收層的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于銅銦鎵硒薄膜太陽電池技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種柔性襯底上制備高 結(jié)合力吸收層的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，柔性襯底銅銦鎵硒（Cu (In，Ga) Se2，簡稱CIGS)薄膜太陽電池具有質(zhì)量比功 率高、抗輻射能力強、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢，特別是柔性襯底CIGS薄膜電池，其質(zhì)量比功率一般 大于600W/kg，而且電池組件適合卷對卷制備和單片集成，在批量生產(chǎn)和降低成本方面具有 很大潛力，應(yīng)用范圍更加廣泛（相比于剛性襯底）。目前，制約該類電池性能提高的關(guān)鍵問 題和技術(shù)難點是高性能CIGS吸收層的沉積技術(shù)。
[0003] CIGS吸收層是該類太陽電池的核心，提高CIGS吸收層結(jié)晶質(zhì)量，優(yōu)化其光電性質(zhì) 是實驗室中獲得高效率CIGS薄膜太陽電池的關(guān)鍵，同時也是商業(yè)化生產(chǎn)中提高電池組件 成品率，降低成本的基礎(chǔ)。然而，對于柔性襯底，特別是聚酰亞胺塑料襯底（Polyimide，簡稱 PI襯底），除了吸收層結(jié)構(gòu)和光電性質(zhì)外，CIGS薄膜與襯底和底電極之間的結(jié)合力也是影 響電池性能的重要因素之一。薄膜層之間的結(jié)合力與材料的熱膨脹系數(shù)和內(nèi)部應(yīng)力有關(guān)。 目前，能夠承受的最高溫度接近500°C的商業(yè)化PI材料只有Kapton E和Upilex S兩種規(guī) 格，它們的熱膨脹系數(shù)（CTE)與CIGS材料和Mo電極材料熱膨脹系數(shù)存在較大差別，如表1 所示。在CIGS吸收層生長過程中，襯底溫度為450°C -500°C，沉積時間一般大于20分鐘。 PI襯底受熱發(fā)生形變，由于PI與各膜層間熱膨脹系數(shù)差別較大，CIGS薄膜內(nèi)部積累了較大 應(yīng)力。在化學(xué)水浴、濺射沉積等后續(xù)工藝處理中，較大的內(nèi)應(yīng)力將導(dǎo)致CIGS薄膜從Mo/PI 襯底上脫落，從而影響電池的性能和成品率。
[0004] 先前有專利（專利號：CN200610016182. 7)提出柔性CIGS薄膜太陽電池的結(jié)構(gòu) 為：PI 襯底 /Mo/CIGS/CdS/i-ZnO/ZnO:Al/ 柵電極。專利（專利號：CN200710151040. 6 和 專利號：CN201210464942. 6)提出了 PI襯底上CIGS吸收層的制備方法。這些專利沒有考 慮PI襯底上沉積CIGS吸收層的附著性問題。實驗結(jié)果證明，按照上述專利提出的電池結(jié) 構(gòu)和制備方法沉積的CIGS薄膜與襯底和底電極的結(jié)合力較差，吸收層裂痕較多，部分吸收 層甚至出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，如圖3(a)所示。這將導(dǎo)致柔性CIGS薄膜太陽電池性能下降，甚至失 效。特別對于大面積CIGS薄膜制備，這種現(xiàn)象更加嚴重。
[0005] 表1柔性襯底及相關(guān)半導(dǎo)體材料的熱膨脹系數(shù)
[0006]


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題而提供一種柔性襯底上制備高結(jié)合力 吸收層的方法。
[0008] 本發(fā)明的目的是提供一種能夠獲得高結(jié)合力CIGS吸收層，有效避免了柔性襯底 上的CIGS薄膜因內(nèi)應(yīng)力而開裂、甚至脫落等問題，改善了吸收層電學(xué)性質(zhì)，改善CIGS薄膜 結(jié)晶質(zhì)量等特點的柔性襯底上制備高結(jié)合力吸收層的方法。
[0009] 本發(fā)明通過在CIGS吸收層與Mo電極層之間設(shè)計一應(yīng)力緩沖層，在柔性襯底上得 到高結(jié)合力的CIGS吸收層，避免了 CIGS薄膜的脫落問題，能夠有效提高柔性CIGS薄膜太 陽電池的性能和成品率。
[0010] 柔性CIGS薄膜太陽電池包含多層結(jié)構(gòu)，如附圖1所示。采用柔性襯底（包括PI 襯底，金屬襯底等），其上結(jié)構(gòu)依次為：Mo底電極（厚度約為0.5~Ιμπι);應(yīng)力緩沖層 (In1 x, Gax) 2Se3薄膜（厚度約為IOOnm~1000 nm) ;ρ型CIGS吸收層（厚度在1~3 μ m之 間）；n型CdS緩沖層（厚度約為50nm) ;i-ZnO層和ZnO = Al窗口層（厚度分別為50nm和 300~500nm) ;Ni/Al金屬柵電極。對于小面積CIGS薄膜太陽電池，為了減小因電池表面 反射而造成的光吸收損失，提高電池性能，在上述電池結(jié)構(gòu)的表面沉積一層厚度約為IOOnm 的1@?2減反射層，如附圖2所示。
[0011]制備應(yīng)力緩沖層（In1 x，GaJ2Se3薄膜（簡稱IGS薄膜）的具體工藝為：整個腔室 的背景真空壓強達到I X 10 4Pa，在CIGS薄膜吸收層沉積之前，采用共蒸發(fā)In、Ga和Se元 素沉積IGS薄膜。沉積過程中，襯底溫度在350°C~480°C之間范圍內(nèi)保持恒定，蒸發(fā)腔室 中始終保持足夠的Se氣氛，以保證沉積到襯底上的In、Ga元素與Se元素充分反應(yīng)，形成 (In1 x，GaJ2Se3相。Ga、In 蒸發(fā)源的溫度分別恒定為 900°C -1100°C、800°C -1000°C，Se 蒸 發(fā)源在250°C~350°C范圍內(nèi)保持恒定。薄膜沉積速率約為15nm/min，得到合適厚度的IGS 薄膜，然后沉積CIGS吸收層。IGS薄膜沉積過程中腔室的真空壓強保持在I X 10 3Pa左右。
[0012] 本發(fā)明柔性襯底上制備高結(jié)合力吸收層的方法所采取的技術(shù)方案是：
[0013] -種柔性襯底上制備高結(jié)合力吸收層的方法，其特點是：柔性襯底上制備高結(jié)合 力吸收層時，在CIGS吸收層與Mo電極層之間設(shè)計一（In 1 x，GaJ2Se3薄膜0· 2〈χ〈0· 8應(yīng)力 緩沖層；柔性CIGS薄膜太陽電池包含多層結(jié)構(gòu)；制備應(yīng)力緩沖層（In1 x，GaJ2Se^膜的工 藝步驟為：整個蒸發(fā)腔室的真空壓強達到I X 10 4Pa，在CIGS薄膜吸收層沉積之前，采用共 蒸發(fā)In、Ga和Se元素沉積（In1 x，GaJ2Se3薄膜；沉積過程中，襯底溫度350°C~480°C， 蒸發(fā)腔室中始終保持Se氣氛，形成（In 1 x，GaJ2Se3相；Ga、In蒸發(fā)源的溫度分別恒定為 900°C -1100°C、800°C -1000°C，Se 蒸發(fā)源為 250°C~350°C保持恒定，得到（In1 x，Gax)2Se3 薄膜，然后沉積CIGS吸收層。
[0014] 本發(fā)明柔性襯底上制備高結(jié)合力吸收層的方法還可以采用如下技術(shù)方案：
[0015] 所述的柔性襯底上制備高結(jié)合力吸收層的方法，其特點是：（In1 x，GaJ2Se3薄膜沉 積速率為10-50nm/min，沉積過程中腔室的真空壓強保持0. 8-1. 2X 10 3Pa。
[0016] 所述的柔性襯底上制備高結(jié)合力吸收層的方法，其特點是：柔性CIGS薄膜太陽電 池包含多層結(jié)構(gòu)，采用柔性PI襯底或金屬襯底襯底，其上結(jié)構(gòu)依次為Mo底電極、應(yīng)力緩沖 層（In 1 x，GaJ2Se3薄膜、p型CIGS吸收層、η型CdS緩沖層、i-ZnO層和ZnO = Al窗口層、Ni/ Al金屬柵電極。
[0017] 所述的柔性襯底上制備高結(jié)合力吸收層的方法，其特點是：Mo底電極厚度為 0· 5~1 μ m，應(yīng)力緩沖層（In1 x, Gax) 2Se3薄膜厚度為IOOnm~lOOOnm，p型CIGS吸收層厚度 為1~3 μπι，η型CdS緩沖層厚度為45-55nm，i-ΖηΟ層和Ζη0:Α1窗口層厚度分別為50nm 和 300 ~500nm。
[0018] 所述的柔性襯底上制備高結(jié)合力吸收層的方法，其特點是：柔性CIGS薄膜太陽電 池包含多層結(jié)構(gòu)，采用柔性PI襯底或金屬襯底襯底，其上結(jié)構(gòu)依次為Mo底電極、應(yīng)力緩沖 層（In 1 x，GaJ2Se3薄膜、p型CIGS吸收層、η型CdS緩沖層、i-ΖηΟ層和ZnO = Al窗口層、Ni/ Al金屬柵電極，在上述電池結(jié)構(gòu)的表面沉積一層MgF2減反射層。
[0019] 所述的柔性襯底上制備高結(jié)合力吸收層的方法，其特點是：18匕減反射層厚度為 90-110nm〇
[0020] 本發(fā)明具有的優(yōu)點和積極效果是：
[0021 ] 柔性襯底上制備高結(jié)合力吸收層的方法由于采用了本發(fā)明全新的技術(shù)方案，與現(xiàn) 有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下特點：
[0022] 1、本發(fā)明在CIGS吸收層和底電極Mo之間設(shè)計一層IGS應(yīng)力緩沖層。在沉積CIGS 吸收層之前，首先沉積一定厚度的IGS應(yīng)力緩沖層，其熱膨脹系數(shù)與PI襯底和CIGS材料之 間的差別較小，與Mo電極的結(jié)合力比CIGS吸收層強。當(dāng)PI襯底受熱發(fā)生形變時，IGS層 有效緩解了 CIGS薄膜成核、結(jié)晶過程中積累的內(nèi)部應(yīng)力，獲得了高結(jié)合力的CIGS吸收層， 避免了柔性襯底上的CIGS薄膜因內(nèi)應(yīng)力而開裂、甚至脫落的問題，如附圖3所示。
[0023] 2、本發(fā)明在CIGS吸收層和底電極Mo之間設(shè)計一層IGS應(yīng)力緩沖層，在沉積緩沖 層的同時可以蒸發(fā)NaF，得到含Na的IGS薄膜。Na原子通過擴散進入后續(xù)沉積的銅銦鎵硒 薄膜中，改善了吸收層的電學(xué)性質(zhì)。同時避免了單獨沉積NaF層對CIGS薄膜與PI/Mo襯底 結(jié)合力的影響。
[0024] 3、本發(fā)明在CIGS吸收層和底電極Mo之間設(shè)計一層IGS應(yīng)力緩沖層，通過控制IGS 薄膜厚度，可以優(yōu)化CIGS吸收層生長過程，改善CIGS薄膜結(jié)晶質(zhì)量，如附圖4所示。
【附圖說明】
[0025] 圖1是具有高結(jié)合力吸收層的柔性CIGS薄膜太陽電池結(jié)構(gòu)；
[0026] 圖2是具有高結(jié)合力吸收層的小面積柔性CIGS薄膜太陽電池結(jié)構(gòu)；
[0027] 圖中：1_柵電極；2-窗口層i-Zn0&Zn0:Al ;3-n型CdS緩沖層；4-CIGS吸收層； 5-IGS應(yīng)力緩沖層；6-Mo電極層；7-柔性襯底；8-減反射層。
[0028] 圖3是PI襯底/Mo結(jié)構(gòu)上沉積的CIGS吸收層外觀形貌的照片，（a)圖中CIGS薄 膜直接沉積在PI襯底/Mo電極上，（b)圖中在CIGS薄膜與PI襯底/Mo電極結(jié)構(gòu)之間設(shè)計 了 IGS應(yīng)力緩沖層；