一種提高薄膜太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及薄膜太陽能電池制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種提高薄膜太陽能電池轉(zhuǎn) 換效率的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 薄膜太陽能電池尤其是銅銦鎵硒（CIGS)薄膜太陽能電池以其低成本、高光電轉(zhuǎn) 換效率、無光致衰退效應(yīng)、耐輻照、光譜響應(yīng)范圍寬、性價比高的特點深受世界各國光伏行 業(yè)的廣泛關(guān)注。但同時，其結(jié)構(gòu)特征及涉及到的多元材料特征復(fù)雜，具有敏感的元素配比要 求及復(fù)雜的分層結(jié)構(gòu)，工藝設(shè)備技術(shù)復(fù)雜。典型的金屬化合物薄膜太陽電池結(jié)構(gòu)由P型光 吸收層、N型緩沖層和透明導(dǎo)電的氧化鋅ZnO材料窗口層組成。窗口層是薄膜太陽電池的 重要組成部分，通常由高電阻的本征層和導(dǎo)電性能良好的鋁摻雜氧化鋅Ζη0:Α1薄膜組成， 本征氧化鋅i-ZnO薄膜的加入降低了漏電流、提高了電池的開路電壓并避免后續(xù)工藝對異 質(zhì)結(jié)界面造成損傷；由于高阻i-ZnO本征層與N型緩沖層同為N型結(jié)構(gòu)，在內(nèi)建電場中作 用十分關(guān)鍵，可阻止透明導(dǎo)電層經(jīng)過緩沖層及光吸收層的針孔或晶粒間隙直接與背電極接 觸，減少電池內(nèi)部短路點的數(shù)量，提高了太陽能電池的開路電壓，有助于提高太陽電池的效 率。
[0003] 在常規(guī)的制備工藝中，本征層和摻雜導(dǎo)電層通常采用高真空的磁控濺射等物理氣 相沉積工藝進(jìn)行鍍膜沉積，磁控濺射鍍膜時的Ar離子等高能粒子會轟擊到膜層的表面，損 傷膜層，據(jù)此造成本征層和摻雜導(dǎo)電層無法完全覆蓋N型緩沖層表面。同時，磁控濺射工藝 的真空度很高，為〇. IPa~IOPa范圍，在此真空度下，濺射粒子的平均自由程較長加之濺射 原子運動具有方向性等特性，導(dǎo)致膜層的表面臺階覆蓋性差，不能完全避免防止短路的情 況；進(jìn)一步劣化了本征層和摻雜導(dǎo)電層在N型緩沖層表面的覆蓋效果，特別是當(dāng)覆蓋的表 面呈臺階狀、晶粒尺寸大、粗糙度大時特別明顯，并據(jù)此產(chǎn)生漏電流增大、開路電壓降低等 問題，制約了薄膜太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，針對窗口層的進(jìn)行原料優(yōu)選和工藝優(yōu)化，形成 了一種提高薄膜太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的方法。
[0005] 本發(fā)明的內(nèi)容為：
[0006] -種提高薄膜太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的方法，所述的太陽能電池包括基板、背電極、 P型光吸收層、N型緩沖層和窗口層，所述的背電極、P型光吸收層、N型緩沖層和窗口層依序 沉積在基板上。所述的窗口層包括本征層和摻雜導(dǎo)電層，所述的本征層為本征氧化鋅i-ZnO 薄膜，所述的摻雜導(dǎo)電層為鋁摻雜氧化鋅ZnO: Al薄膜和/或硼摻雜氧化鋅ZnO:B薄膜，所 述的本征層和摻雜導(dǎo)電層均以二乙基鋅或二甲基鋅作為鋅源采用低氣壓化學(xué)氣相沉積法 沉積成膜，所述的本征層和摻雜導(dǎo)電層依序沉積在N型緩沖層表面。通過引入低壓化學(xué)氣 相沉積法，有效避免磁控濺射過程中的電場、等離子體的影響，沉積成膜的過程中沒有離子 轟擊，不會對P型光吸收層和N型緩沖層產(chǎn)生損傷；同時，二乙基鋅和二甲基鋅常溫常壓下 為無色透明的液體，在低壓化學(xué)氣相沉積時通過在蒸發(fā)器中加熱到60°C的條件下轉(zhuǎn)變?yōu)闅?態(tài)，流動性好，既可以有效對N型緩沖層的表面臺階進(jìn)行覆蓋，也能深入N型緩沖層表面的 深孔、細(xì)孔進(jìn)行覆蓋，覆蓋效果好，厚度均勻，覆蓋一致性好，現(xiàn)在提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效 率。
[0007] 所述本征層的沉積氣氛為二乙基鋅或二甲基鋅、純氫氣、水蒸氣，沉積氣體流量二 乙基鋅或二甲基鋅：純氫氣：水蒸氣的流量比為800 : 100 : 1200~2000,沉積溫度為 170°C~220°C，沉積厚度為30~70nm。在低氣壓真空條件下，二乙基鋅或二甲基鋅與水蒸 氣在加熱條件下生產(chǎn)固態(tài)的氧化鋅和氣相的乙烷或甲烷。二乙基鋅和二甲基鋅蒸氣與水蒸 氣在KKTC以內(nèi)可以在配氣真空腔室內(nèi)充分互擴(kuò)散混合；然后經(jīng)過多孔的噴淋板流動到溫 度為170°C~220°C的鍍有背電極、P型光吸收層、N型緩沖層的太陽能電池基板表面。二 乙基鋅或二甲基鋅蒸氣與水蒸氣在加熱條件下在N型緩沖層的表面沉積均勻的固態(tài)的氧 化鋅膜層，厚度一致性好；在低氣壓條件下，氣相分子的平均自由程較短、碰撞充分，繞射性 好，對于N型緩沖層表面的臺階狀、深孔、細(xì)孔進(jìn)行有效的深入覆蓋，進(jìn)一步保障了本征層 覆蓋的效果，降低漏電流的影響，提高薄膜太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。
[0008] 所述硼摻雜氧化鋅ZnO:B薄膜的沉積溫度為170°C _220°C，沉積氣氛為二乙基鋅 或二甲基鋅、摻雜有2%硼烷的氫氣、純氫氣和水蒸氣的混合氣體。在反應(yīng)氣體中引入硼 烷、氫氣和水蒸氣的混合氣體，硼烷和水蒸氣在加熱的條件下生產(chǎn)固相的氧化硼和氣態(tài)的 氫氣。上述二乙基鋅或二甲基鋅蒸氣、摻雜有2%硼烷的氫氣、純氫氣與水蒸氣在100°C 以內(nèi)在配氣真空腔室內(nèi)充分相互擴(kuò)散混合；然后經(jīng)過多孔的噴淋板流動到溫度為170°C~ 220°C的鍍有背電極、P型光吸收層、N型緩沖層、本征層氧化鋅ZnO薄膜的太陽能電池基 板表面，二乙基鋅或二甲基鋅蒸氣、摻雜有2%硼烷的氫氣、純氫氣與水蒸氣在加熱條件下 在本征層氧化鋅氧化鋅ZnO薄膜的表面沉積均勻的硼摻雜的固態(tài)氧化鋅薄膜，厚度一致性 好；摻雜有硼元素的摻雜導(dǎo)電層具有導(dǎo)電性好，透過率高，光散射作用強(qiáng)的特點，進(jìn)一步提 升和發(fā)揮太陽能電池的窗口層作用，提高薄膜太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。
[0009] 所述硼摻雜氧化鋅ZnO: B薄膜沉積氣體流量二乙基鋅或二甲基鋅：摻雜有2 %硼 烷的氫氣：純氫氣：水蒸氣的比值為800 : 100~250 : 100 : 1200~2000。通過調(diào)節(jié) 沉積的氣體流量和氣體流量的比值，特別是摻雜有2%硼烷的氫氣的流量，就可以很方便地 控制摻雜濃度，改變硼摻雜氧化鋅ZnO:B薄膜的導(dǎo)電性，也可以有效調(diào)節(jié)透光性。同時，也 可以根據(jù)制備的需要，對摻雜有2%硼烷的氫氣和純氫氣的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)摻雜濃度的梯度 漸變，形成導(dǎo)電性漸變的窗口層，實現(xiàn)太陽能電池器件結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化。
[0010] 所述鋁摻雜氧化鋅ZnO = Al薄膜的沉積溫度為170 °C -220°C，沉積氣氛為二乙基 鋅或二甲基鋅、三甲基鋁、純氫氣和水蒸氣的混合氣體。所述鋁摻雜氧化鋅Ζη0:Α1薄膜 沉積氣體流量二乙基鋅或二甲基鋅：三甲基鋁：純氫氣：水蒸氣的比值為800 : 1~ 10 : 100 : 1200~2000。通過調(diào)節(jié)沉積的氣體流量和氣體流量的比值，特別是三甲基鋁 的流量，就可以很方便地控制摻雜濃度，改變窗口層的導(dǎo)電性，也可以有效調(diào)節(jié)透光性。同 時，也可以根據(jù)制備的需要，對三甲基鋁氣體的流量進(jìn)行漸變調(diào)節(jié)摻雜濃度的梯度漸變，形 成導(dǎo)電性漸變的窗口層，實現(xiàn)太陽能電池器件結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化。
[0011] 所述的摻雜導(dǎo)電層沉積成膜前還包括鍍制透明導(dǎo)電層處理工序，所述的透明導(dǎo)電 層為鋁摻雜氧化鋅ΖηΟ:Α1薄膜，所述的鍍制透明導(dǎo)電層處理工序以摻雜有三氧化二鋁的 氧化鋅作為固態(tài)靶材，采用磁控濺射法在本征層表面濺射形成透明導(dǎo)電層，所述磁控濺射 的本底真空度為小于10 3Pa、濺射溫度為200~350°C、濺射氣壓為0.1 Pa~lOPa。透明導(dǎo) 電層的引入，在本征層的表面初步形成太陽能電池的窗口層的基礎(chǔ)，為優(yōu)化提高太陽能電 池的轉(zhuǎn)換效率提供了事實的基礎(chǔ)條件。
[0012] 所述的P型光吸收層為銅銦鎵硒層、銅銦硒層或銅銦硒硫?qū)樱M(jìn)一步拓展了太陽 能電池對于光吸收層材料的要求，可以根據(jù)實際需要靈活選擇，
[0013] 所述的N型緩沖層為硫化鎘層。硫化鎘層的引入，在P型光吸收層和窗口層之間 提供緩沖，硫化鎘層是一種直接帶隙的η型半導(dǎo)體，在低帶隙的P型光吸收層和高帶隙的氧 化鋅本征層之間形成過渡，減小了兩者的帶隙臺階和晶格失配；若氧化鋅本征層與P型光 吸收層直接接觸，高晶格失配率會導(dǎo)致耗盡區(qū)內(nèi)存在大量的缺陷劣化電池性能。
[0014] 所述的背電極為鉬金屬層和鉻金屬層，鉬金屬層和鉻金屬層作為背電極，覆蓋在 不銹鋼板或玻璃等材料的基板上。
[0015] 本發(fā)明的有益效果是：
[0016] 第一，提高轉(zhuǎn)換效率，以二乙基鋅或二甲基鋅作為鋅源采用化學(xué)氣相沉積法制備 窗口層，覆蓋均勻，厚度一致性好，對于臺階狀、深孔和細(xì)孔可以有效覆蓋，減少短路點，提 高開路電壓，顯著提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率；
[0017] 第二，便于規(guī)模化生產(chǎn)，通過采用化學(xué)氣相沉積法代替磁控濺射法，真空度要求降 低，對于工藝設(shè)備的要求也隨之下降，便于批量化生產(chǎn)；
[0018] 第三，制造成本低廉，設(shè)備要求降低可以有效降低設(shè)備投資成本，生產(chǎn)工藝簡單有 效降低作業(yè)成本，所采用的原料基本為常規(guī)材料有效降低材料成本。
【附圖說明】
[0019] 附圖1為薄膜太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖：
[0020] 附圖2為磁控濺射法制備窗口層后薄膜太陽能電池表面形貌示意圖；
[0021] 附圖3為低壓化學(xué)氣相法制備窗口層后薄膜太陽能電池表面形貌示意圖；
[0022] 附圖中的標(biāo)記：1、襯底，2、背電極，3、Ρ型光吸收層，4、Ν型緩沖層，5、窗口層，6、本 征層，7、摻雜導(dǎo)電層。
【具體實施方式】
[0023] 為了進(jìn)一步理解本發(fā)明的內(nèi)容，下面就
【發(fā)明內(nèi)容】
和具體實施例進(jìn)行具體的描述：
[0024] 如圖1所示，薄膜太陽能電池包括基板1、背電極2、P型光吸收層3、N型緩沖層4 和窗口層5,所述的背電極2、P型光吸收層3、N型緩沖層4和窗口層5依序沉積在基板1 上，一種提高薄膜太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的方法，在對窗口層5進(jìn)行加工前，先制備待加工的 半成品電池片。
[0025] 半成品電池的制作，可以根據(jù)襯底材料選擇玻璃或不銹鋼的不同按照如下方法進(jìn) 行加工：
[0026] 若選用選擇玻璃作為基板1時，先在基板1上鍍制鉬金屬層和鉻金屬層的背電極 2作為太陽能電池的襯底；然后在襯底上使用脈沖激光束在背電極2上