一種有效阻擋鐵擴散的不銹鋼柔性襯底銅銦鎵硒薄膜太陽能電池及其制備方法技術

本發明專利技術公開了一種有效阻擋鐵擴散的不銹鋼柔性襯底銅銦鎵硒薄膜太陽能電池及其制備方法。該方法制備步驟為：在不銹鋼柔性襯底上依次制備阻擋層、背電極、吸收層、緩沖層、本征氧化鋅層、摻鋁氧化鋅層和上電極。在柔性襯底上濺射、沉積制得所述阻擋層。所述吸收層的制備：依次電沉積銅層、銦層和鎵層得到銅銦鎵金屬預制層，在真空環境中進行退火熱處理，得銅銦鎵合金預制層；再在Ar和Se蒸汽氛圍中進行硒化反應，得到不銹鋼柔性襯底銅銦鎵硒薄膜太陽能電池吸收層。本發明專利技術方法能有效阻擋不銹鋼襯底中有害元素鐵的擴散，制得的不銹鋼柔性襯底銅銦鎵硒薄膜太陽能電池結構簡單，開路電壓、填充因子和轉換效率大大提高。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及銅銦鎵硒薄膜太陽能電池
，尤其涉及一種有效阻擋鐵擴散的不銹鋼柔性襯底銅銦鎵硒薄膜太陽能電池及其制備方法。
技術介紹
在所有的太陽能電池中，銅銦鎵硒(Cu(In,Ga)Se2，CIGS)薄膜太陽能電池被認為是最具有發展前景的太陽能電池，CIGS薄膜太陽能電池吸光率高、帶隙可調、光電轉換效率高、穩定好以及抗輻射性能強。目前CIGS薄膜太陽能電池的最高轉換效率可達22.6%。銅銦鎵硒薄膜太陽能電池可分為剛性和柔性襯底電池兩類。剛性和柔性襯底電池中，以不銹鋼柔性襯底為代表的銦鎵硒薄膜太陽能電池以重量輕、可卷曲、易攜帶、高質量比功率等優點，特別是與卷對卷工藝相結合，可實現大規模生產，并顯著降低生產成本的特點，得到了人們廣泛的研究與關注。目前，不銹鋼柔性襯底銅銦鎵硒薄膜太陽能電池中的CIGS吸收層的制備溫度普遍較高，通常在450～600℃。但是在該溫度范圍，不銹鋼襯底中的有害元素如鐵元素等會從不銹鋼襯底透過鉬背電極擴散到CIGS吸收層中，鐵等有害元素的擴散大大地降低了電池的開路電壓和填充因子，進而弱化電池效率。因此，必須對不銹鋼襯底中的有害元素進行有效的抑制和阻擋，進而制備出高轉換效率的不銹鋼柔性襯底銅銦鎵硒薄膜太陽能電池。
技術實現思路
本專利技術針對當前不銹鋼柔性襯底銅銦鎵硒薄膜太陽能電池中銅銦鎵硒吸收層制備過程中有害元素鐵的擴散而導致電池開路電壓、填充因子和轉換效率降低的問題，提供一種有效阻擋鐵擴散的不銹鋼柔性襯底銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的制備方法。該方法引入了阻擋層技術，以不銹鋼柔性襯底為基底，通過在不銹鋼襯底上濺射一層阻擋層結構，增設氮化鉬阻擋層，降低不銹鋼襯底表面粗糙度，有利于后續膜層制備的同時，也能有效阻擋不銹鋼襯底中有害元素鐵的擴散，提高了電池的開路電壓和填充因子，進而提高不銹鋼襯底銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的轉換效率。通過增設一層阻擋層，在提高電池轉換效率的同時，也使得電池結構相對簡單。一種有效阻擋鐵擴散的不銹鋼柔性襯底銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：在不銹鋼柔性襯底上依次制備阻擋層、背電極、吸收層、緩沖層、本征氧化鋅層、摻鋁氧化鋅層和上電極，得到所述效阻擋鐵擴散的不銹鋼柔性襯底銅銦鎵硒薄膜太陽能電池。進一步地，所阻擋層的制備步驟為：利用濺射方法，在N2和Ar混合氣體氛圍中，在不銹鋼柔性襯底上沉積形成阻擋層。更進一步地，所述濺射方法為射頻反應磁控濺射，濺射氣壓為0.3～1 Pa，濺射功率密度為4.75～4.85 W /cm2。更進一步地，所述N2和Ar混合氣體的體積比為N2：Ar=1∶10～1：2，所述沉積的時間為50～90min。更進一步地，所述阻擋層為氮化鉬材料，氮與鉬的原子摩爾比N/Mo=0.34～0.60，阻擋層厚度為300～600 nm。更進一步地，所述不銹鋼柔性襯底的厚度為40～70μm。進一步地，所述吸收層的制備步驟為：（1）在沉積有阻擋層和鉬背電極的不銹鋼柔性襯底上依次電沉積銅層、銦層和鎵層得到銅銦鎵金屬預制層；（2）將得到的銅銦鎵金屬預制層在真空環境中進行退火熱處理，獲得銅銦鎵合金預制層；（3）將制得的銅銦鎵合金預制層在Ar和Se蒸汽氛圍中進行硒化反應，制備得到不銹鋼柔性襯底銅銦鎵硒薄膜太陽能電池吸收層。更進一步地，步驟（1）中所述銅層的制備方法為脈沖直流電沉積，頻率為2000～2500Hz，占空比為45～55%，電流密度為60～65mA/cm2，時間為7～9s。更進一步地，步驟（1）中所述銦層的制備方法為脈沖直流電沉積，頻率為2000～2500Hz，占空比為5～15%，電流密度為5～10mA/cm2，時間為120～144s。更進一步地，步驟（1）中所述鎵層的制備方法為直流電沉積，電流密度為175～200mA/cm2，時間為18～20s。更進一步地，步驟（2）中所述退火熱處理的溫度為250～350℃，退火熱處理的時間為30～50min。更進一步地，步驟（3）中所述硒蒸汽由安全無毒的硒顆粒加熱蒸發的方法提供，硒源溫度為230～250℃。更進一步地，步驟（3）中所述硒化反應的溫度為500～550℃，硒化反應的時間為30～50min。與現有技術相比，本專利技術具有如下優點和技術效果：（1）增設阻擋層結構：采用射頻反應磁控濺射法制備氮化鉬阻擋層，可精確控制阻擋層中氮與鉬的原子摩爾比N/Mo在0.34～0.60連續可調，進而對不銹鋼柔性襯底中有害元素鐵的擴散起到不同的阻擋和抑制效果，進而提高電池的開路電壓、填充因子和轉換效率；（2）電池結構簡單：只需在不銹鋼柔性襯底銅銦鎵硒薄膜太陽能電池中不銹鋼襯底和鉬背電極之間增設一層阻擋層，便可大大提高電池效率；（3）工藝簡單、成本低和操作簡單：采用分步電沉積法制備銅銦鎵金屬預制層后合金化、硒化的工藝制備CIGS吸收層，相比蒸發法和濺射法，不需要真空環境、工藝簡單、電沉積設備成本低、操作簡單、生產效率高；（4）安全無毒：采用硒顆粒加熱蒸發的方法提供硒蒸汽氛圍，避免了有毒氣體H2Se的使用，安全無毒。附圖說明圖1為本專利技術的有效阻擋鐵擴散的不銹鋼柔性襯底銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的結構示意圖。圖2為本專利技術的無阻擋層的不銹鋼柔性襯底銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的結構示意圖。具體實施方式以下實施例僅用于進一步闡述本專利技術，而不限制本專利技術。實施例1（1）用半導體清洗劑對不銹鋼柔性襯底表面進行清洗，然后依次用丙酮、無水乙醇和去離子水浸泡并超聲清洗30min，拿出后再用去離子水沖洗，最后用氮氣吹干；（2）將清洗好的不銹鋼柔性襯底置于3×10-4Pa真空腔室中采用射頻反應濺射方法沉積氮化鉬（氮與鉬的原子摩爾比N/Mo=0.6）阻擋層，濺射時，工作氣壓為0.3Pa，功率密度為4.75W/cm2，氮氬混合氣體中體積比為N2:Ar=1:2，沉積時間為50min，厚度為300nm；（3）將沉積有氮化鉬阻擋層的不銹鋼柔性襯底，在3×10-4Pa真空環境中，采用濺射的方法濺射鉬背電極，厚度為630nm；（4）在沉積有氮化鉬阻擋層和鉬背電極的不銹鋼柔性襯底上，利用脈沖直流方法電沉積銅層，脈沖頻率為2000Hz，占空比為45%，電流密度為60mA/cm2，時間為9s，所用溶液體系為含有CuSO4和H2SO4的混合溶液（混合溶液中CuSO4的濃度為0.75mol/L，H2SO4的濃度為0.765mol/L）；（5）在上述沉積有氮化鉬阻擋層、鉬背電極和銅層的不銹鋼柔性襯底上，利用脈沖直流方法電沉積銦層，脈沖頻率為2000Hz，占空比為15%，電流密度為10mA/cm2，時間為120s，所用溶液體系為含有InCl3的混合溶液（混合溶液中InCl3的濃度為0.106mol/L）；（6）將上述沉積有氮化鉬阻擋層、鉬背電極、銅層和銦層（銅層和銦層可合稱為銅銦金屬預制層）的不銹鋼柔性襯底上，利用直流方法電沉積鎵層，電流密度為175mA/cm2，時間為20s，所用溶液為含有GaCl3的混合溶液（混合溶液中GaCl3的濃度為0.106mol/L）；（7）將上述沉積有氮化鉬阻擋層、鉬背電極、銅層、銦層和鎵層（銅層、銦層和鎵層可合稱為銅銦鎵金屬預制層）的不銹鋼柔性襯底置于1×10-3Pa的真空環境中進行退火熱處理，退火溫度為250℃，時間為50本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種有效阻擋鐵擴散的不銹鋼柔性襯底銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：在不銹鋼柔性襯底上依次制備阻擋層、背電極、吸收層、緩沖層、本征氧化鋅層、摻鋁氧化鋅層和上電極，得到所述效阻擋鐵擴散的不銹鋼柔性襯底銅銦鎵硒薄膜太陽能電池。

【技術特征摘要】
1.一種有效阻擋鐵擴散的不銹鋼柔性襯底銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：在不銹鋼柔性襯底上依次制備阻擋層、背電極、吸收層、緩沖層、本征氧化鋅層、摻鋁氧化鋅層和上電極，得到所述效阻擋鐵擴散的不銹鋼柔性襯底銅銦鎵硒薄膜太陽能電池。2.根據權利要求1所述的一種有效阻擋鐵擴散的不銹鋼柔性襯底銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的制備方法，其特征在于，所述阻擋層的制備步驟為：利用濺射方法，在N2和Ar混合氣體氛圍中，在不銹鋼柔性襯底上沉積形成阻擋層。3.根據權利要求2所述的一種有效阻擋鐵擴散的不銹鋼柔性襯底銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的制備方法，其特征在于，所述濺射方法為射頻反應磁控濺射，濺射氣壓為0.3～1Pa，濺射功率密度為4.75～4.85W/cm2；所述N2和Ar混合氣體中N2：Ar=1：10～1：2（V/V）；所述沉積的時間為50～90min。4.根據權利要求2所述的一種有效阻擋鐵擴散的不銹鋼柔性襯底銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的制備方法，其特征在于，所述阻擋層成分為氮化鉬，氮與鉬的原子摩爾比N/Mo=0.34～0.60，阻擋層厚度為300～600 nm。5.根據權利要求1所述的一種有效阻擋鐵擴散的不銹鋼柔性襯底銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的制備方法，其特征在于，所述吸收層的制備步驟為：（1）在沉積有阻擋層和鉬背電極的不銹鋼柔性襯底上依次電沉積銅層、銦層和鎵層得到銅銦鎵金屬預制層；（2）將得到的銅銦鎵金屬預制層在真空環境中進行退火熱處理，獲得銅銦鎵合金預制層；（3）將制...

【專利技術屬性】
技術研發人員：湯勇，張曉清，黃云翔，陸龍生，袁偉，萬珍平，李宗濤，
申請(專利權)人：華南理工大學，
類型：發明
國別省市：廣東;44