[發明專利]一種薄膜太陽電池及其制造方法

無效

• 申請號: 201010176003.2
• 申請日: 2010-05-19
• 公開（公告）號: CN101840942A
• 公開（公告）日: 2010-09-22
• 發明（設計）人: 劉萍
• 申請（專利權）人: 深圳丹邦投資集團有限公司
• 主分類號: H01L31/042
• 分類號: H01L31/042;H01L31/0264;H01L31/18
• 代理公司: 深圳新創友知識產權代理有限公司 44223
• 代理人: 江耀純

技術領域

本發明屬于光電材料與新能源技術領域，涉及半導體薄膜的制備和半導體薄膜器件的結構設計，特別涉及以新型低成本、環保型銅鋅錫硫薄膜作為吸收層的薄膜太陽電池結構設計及其制造方法。

背景技術

太陽能是取之不盡、用之不竭的可再生能源。在太陽能的各種利用方式中，太陽電池發電是發展最快、最具活力和最受矚目的領域，可望成為解決日益嚴重的能源危機和環境污染問題的有效途徑。太陽電池產業自1990年代后半期起進入了快速發展階段，最近10年太陽電池的年平均增長率為41.3％，最近5年的年平均增長率為49.5％。雖然發展速度如此之快，但目前太陽電池發電在整個社會能源結構中的比例還是非常小，不到1％。因此，太陽電池的發展潛力極其巨大，市場前景廣闊。

目前在工業生產和市場上處于主導地位的太陽電池是基于晶體硅(單晶硅和多晶硅)的第一代太陽電池，其光電轉化效率高(已分別可達24.7％和20.3％)，技術也比較成熟，產量占整個太陽電池90％左右(單晶硅43.4％、多晶硅46.5％)。但由于需要消耗大量昂貴的高純晶體硅原料，原料成本占總成本60％～80％，導致價格居高不下，已成為光伏產業發展及太陽電池推廣應用的主要障礙。為了節省原材料，有效降低太陽電池的成本，基于薄膜技術的第二代太陽電池逐漸顯示出巨大優勢和發展潛力，成為近些年來太陽電池領域的研究熱點。

在各種薄膜太陽電池中，非晶硅薄膜太陽電池雖然成本較低，但效率也較低，且存在光衰效應難以解決；染料敏化太陽電池雖然成本低，但由于采用液體電解質和有機染料，使得制造封裝困難、效率不穩定。碲化鎘太陽電池雖然效率能達到要求，但需要使用稀有元素碲，還含有劇毒重金屬元素鎘。銅銦鎵硒系薄膜太陽電池具有環境友好、成本低廉和性能優良等優勢，但是由于使用了銦、鎵等稀有元素，使得其大規模應用前景不明。

因此，探尋含高豐度元素和低成本的太陽電池材料已成為擺在我們面前的重要課題。必須指出的是，為了實現太陽電池的大規模實際應用，太陽電池除了要求低成本、原材料已獲得外，還應當具備優良的物化性能，包括：合適(1.2～1.5eV)的帶隙，可見光范圍內較大的光吸收系數，高的電子遷移率，特別是對缺陷和晶界具有較好的電學容忍度等。目前研究最多、被認為最有潛力的太陽電池材料是Cu₂ZnSnS₄(CZTS)，以其制成的太陽電池最高轉化效率已達到了9.6％。

但是目前的CZTS太陽電池均仍然采用CdS作為緩沖層，因此并未真正實現無毒。所以要真正實現CZTS薄膜太陽電池的推廣，無Cd緩沖層的CZTS太陽電池開發顯得十分必要。

另外，為了實現電池的大規模連續生產，電池各層薄膜的真空連續沉積技術也具有重要的應用價值。

發明內容

本發明的目的是克服非晶硅、染料敏化、碲化鎘和銅銦鎵硒等薄膜太陽電池的缺點，提供一種結構和制造工藝簡單、成本低廉、環境友好、性能穩定、轉化效率高的作薄膜太陽電池及其制造方法。

本發明的技術方案如下：

本發明的薄膜太陽電池，從下到上依次由玻璃基底、背電極、光吸收層、緩沖層、窗口層和頂電極構成。

電池的背電極為鉬薄膜，其厚度為0.3～3μm；所述的光吸收層為銅鋅錫硫(CZTS)薄膜，其厚度為0.5～5μm；所述的緩沖層為硫化鋅(ZnS)薄膜，其厚度為20～100nm；所述的窗口層為氧化鋅鋁(ZAO)薄膜，其厚度為0.2～5μm；所述的頂電極為鎳鋁合金薄膜，其厚度為0.2～5μm，其中鋁含量為1～100％。

本發明薄膜太陽電池的制造方法依下列步驟進行：

(1)背電極制造：在基底表面上用鉬靶直流磁控濺射沉積鉬薄膜；

(2)光吸收層制造：采用濺射硫化法在背電極上沉積一層銅鋅錫硫薄膜；

(3)緩沖層制造：采用射頻反應濺射法在光吸收層上沉積一層硫化鋅薄膜；

(4)窗口層制造：采用直流磁控濺射氧化鋁(1～5％)摻雜的氧化鋅靶，沉積制備一層氧化鋅鋁薄膜。

(5)頂電極的制造：在氧化鋅鋁薄膜上通過掩膜用蒸發的方法沉積一層鎳鋁合金薄膜。

上述制造步驟(1)背電極的制造采用直流磁控濺射法，其濺射的工作氣體為高純氬氣，工作氣壓為0.05～10Pa，濺射功率為40～250W，熱處理溫度為300～600℃。

上述制造步驟(2)吸收層的制造采用濺射硫化法，即首先采用分步濺射或共濺射的方法形成銅-鋅-錫合金預制層，通過在元素硫或硫化氫氣氛下進行硫化處理過程，硫化溫度為300～700℃，擴散形成銅鋅錫硫薄膜。