[發(fā)明專利]一種銅鋅錫硫薄膜太陽電池器件及其制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410528411.8
• 申請日: 2014-09-30
• 公開（公告）號: CN104409559A
• 公開（公告）日: 2015-03-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 薛玉明;劉浩;劉君;李鵬海;潘洪剛;宋殿友;朱亞東;郭曉倩;馮少君;尹富紅;高林;航偉;喬在祥;關(guān)昊;孫碩;曲慧楠;李宇;王玉昆;李鵬宇
• 申請（專利權(quán)）人: 天津理工大學(xué)
• 主分類號: H01L31/18
• 分類號: H01L31/18;H01L31/072
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及薄膜太陽電池領(lǐng)域技術(shù)，特別是一種基于聚酰亞胺柔性襯底的銅鋅錫硫薄膜太陽電池器件及其制備。

背景技術(shù)

銅鋅錫硫材料(CZTS)屬于I2-III-IV-VI4族四元化合物半導(dǎo)體，主要具有鋅黃錫礦、黃錫礦和銅金合金結(jié)構(gòu)。其中，鋅黃錫礦結(jié)構(gòu)比起其他結(jié)構(gòu)類型在熱力學(xué)上有著更好的穩(wěn)定性。

銅鋅錫硫電池的特點：銅鋅錫硫各組成元素儲量豐富且對環(huán)境無污染，制備成本低；銅鋅錫硫的禁帶寬度在1.45eV左右，非常接近光伏電池的理想帶隙1.4eV；銅鋅錫硫是一種直接帶隙p型半導(dǎo)體材料，光學(xué)吸收系數(shù)超過10⁴cm^-1，非常適合作為薄膜太陽電池的吸收層材料；電池轉(zhuǎn)換效率高，從理論上將可達(dá)到單結(jié)電池的最高轉(zhuǎn)換效率。2013年Solar?Frontier公司與IBM、東京應(yīng)化工業(yè)(TOK)合組的共同研發(fā)的CZTS薄膜太陽電池轉(zhuǎn)換效率提高至12.6％(電池尺寸0.42cm²)。

航空航天領(lǐng)域需要太陽電池有較高的質(zhì)量比功率，即希望單位質(zhì)量的太陽電池能發(fā)出更多的電量。對于地面光伏建筑物的曲面造型和移動式的光伏電站等要求太陽電池具有柔性、可折疊性和不怕摔碰，這就促進了柔性太陽電池的發(fā)展。由于相對較強的耐高溫能力和較為適合的膨脹系數(shù)，聚酰亞胺(PI)在其中脫穎而出。

發(fā)明內(nèi)容：

本發(fā)明提供了一種基于聚酰亞胺襯底的銅鋅錫硫薄膜太陽電池器件的制備方案。以柔性的聚酰亞胺膜作為襯底，在其表面依次制備背接觸層、銅鋅錫硫吸收層、硫化鎘緩沖層、透明窗口層和鋁上電極。

本發(fā)明的技術(shù)方案

一種基于聚酰亞胺柔性襯底的銅鋅錫硫薄膜太陽電池，所用聚酰亞胺膜的厚度為25-30μm；鉬背接觸層生長于聚酰亞胺膜襯底之上，分為高阻層和低阻層，其中高阻層的厚度為80-120nm，低阻層的厚度為600-700nm，采用直流磁控濺射系統(tǒng)制備；銅鋅錫硫吸收層生長于鉬薄膜之上，化學(xué)分子式為Cu₂ZnSnS₄，導(dǎo)電類型為p型，厚度為1-2μm，采用DM-700型鍍膜機，應(yīng)用共蒸發(fā)制備工藝；硫化鎘緩沖層生長于銅鋅錫硫吸收層表面，化學(xué)分子式為CdS，導(dǎo)電類型為n型，厚度為45-50nm，采用化學(xué)水浴法制備工藝；透明窗口層生長于硫化鎘緩沖層之上，分為高阻本征氧化鋅薄膜和低阻氧化鋅鋁薄膜，導(dǎo)電類型為n型，其中本征氧化鋅薄膜的厚度為50-100nm，氧化鋅鋁薄膜的厚度為0.4-0.6μm，分別采用射頻磁控濺射制備系統(tǒng)和直流磁控濺射制備系統(tǒng)制備；鋁上電極薄膜生長于透明窗口層之上，其厚度為0.8-1.5μm，采用共蒸發(fā)制備系統(tǒng)制備。

鉬背接觸層的制備步驟如下：

在直流磁控濺射沉積系統(tǒng)的沉積室中，以純度為99.99％的Mo為靶材，采用射頻磁控濺射制備系統(tǒng)在襯底表面分別沉積一層高阻和低阻的鉬薄膜。

所述在襯底表面沉積一層高阻薄膜的工藝參數(shù)為：本底真空：3.0×10^-4Pa，工作氣壓為1-2Pa，襯底溫度為室溫25-50℃，射頻功率為500-700W，Ar氣流量為30-50sccm，基靶行走速度為4-6mm/s，沉積時間(基靶的往復(fù)次數(shù))為2-4次。

所述在襯底表面沉積一層低阻薄膜的工藝參數(shù)為：工作氣壓為0-0.5Pa，襯底溫度為室溫25-50℃，射頻功率為1500-2000W，Ar氣流量為15-20sccm，基靶行走速度為4-6mm/s，沉積時間(基靶的往復(fù)次數(shù))為4-6次。

銅鋅錫硫吸收層薄膜的制備步驟如下：

本底真空為3.0×10^-4Pa，襯底溫度為300-350℃，Cu蒸發(fā)源溫度為1100-1200℃，ZnS蒸發(fā)源溫度為1000-1100℃，Sn蒸發(fā)源溫度為1000-1100℃，S蒸發(fā)源溫度為75-85℃，共蒸發(fā)Cu、ZnS、Sn、S四種元素，蒸發(fā)時間為30-50min，得到的薄膜為p型直接帶隙半導(dǎo)體，鋅黃錫礦結(jié)構(gòu)。通過調(diào)整襯底、各蒸發(fā)源溫度及共蒸時間，控制銅鋅錫硫薄膜貧銅富鋅，其中Cu/(Zn+Sn)＝0.8-1.0，Zn/Sn＝1.0-1.2，S/(Cu+Zn+Sn)約等于1。隨后將襯底及各蒸發(fā)源冷卻至室溫。

硫化鎘緩沖層的制備步驟如下：