專利名稱：：磁場(chǎng)下CdTe太陽電池的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種基于碲化鎘(CdTe)薄膜太陽電池的制造方法，屬于納米無機(jī)化合物能源材料制造工藝領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：太陽能是一種潔凈、無污染、取之不盡用之不竭的自然能源，人類賴以生存的自然資源幾乎全部轉(zhuǎn)換于太陽能，將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能是大規(guī)才莫利用太陽能的一項(xiàng)重要技術(shù)基礎(chǔ)。自1954年貝爾實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出效率為6%的第一個(gè)多晶硅太陽電池以來，現(xiàn)在太陽電池市場(chǎng)以每年3W的速度遞增。CdTe是一種化合物半導(dǎo)體，在太陽電池中一般作吸收層。由于它的直接帶隙為1.45eV,最適合于光電能量轉(zhuǎn)換，因此使得約2微米厚的CdTe吸收層在其帶隙以上的光學(xué)吸收率達(dá)到90%成為可能，允許的最高理論轉(zhuǎn)換效率在大氣質(zhì)量AMI.5條件下高達(dá)27%。CdTe容易沉積成大面積的薄膜，沉積速率也高。因此，CdTe薄膜太陽電池的制造成本較低，是應(yīng)用前景較好的一種新型太陽電池，已成為美、德、日、意等國(guó)研發(fā)的主要對(duì)象。目前，已獲得的最高效率為16.5(lcm)，電池模塊效率達(dá)到11%(0.94m)。然而，人們當(dāng)前對(duì)CdTe太陽電池的特點(diǎn)和制備方法的認(rèn)識(shí)^l^散，沒有一個(gè)系統(tǒng)的了解。近年來，》茲場(chǎng)強(qiáng)度超過10T的超導(dǎo)強(qiáng)磁場(chǎng)的應(yīng)用已受到人們的廣泛關(guān)注，強(qiáng)磁場(chǎng)因其超強(qiáng)的磁化作用，可以使得非鐵磁性物質(zhì)也能顯示出內(nèi)稟磁性，如水塑料、木材等可在強(qiáng)磁場(chǎng)中懸浮。與普通磁場(chǎng)作用于宏觀的物體不同，強(qiáng)磁場(chǎng)能夠?qū)⒏邚?qiáng)度的磁能傳遞到物質(zhì)的原子尺度，改變?cè)拥呐帕小⑵ヅ浜瓦w移等行為，從而對(duì)材料的組織和性能產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。強(qiáng)磁場(chǎng)在材料制備中能控制材料在晶體生長(zhǎng)過程中的形態(tài)、大小、分布和取向等等。從而影響材料的組織結(jié)構(gòu)，最終獲得具有優(yōu)良性能的新材料。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種磁場(chǎng)下CdTe太陽電池的制備方法，在磁場(chǎng)下使用近空間升華法制備CdTe太陽電池，CdTe薄膜的表面平整度及致密性都有了非常明顯改善，提高了CdTe薄膜太陽電池的轉(zhuǎn)化效率。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)步方案一種磁場(chǎng)下CdTe太陽電池的制備方法，釆用磁場(chǎng)下近空間升華法在透明導(dǎo)電玻璃上制備CdTe薄膜太陽電池，該方法具有以下工藝步驟a、透明玻璃襯底預(yù)處理；b、在透明玻璃襯底上制備Iri203:F透明導(dǎo)電薄膜；c、把制備好透明導(dǎo)電薄膜的玻璃襯底放入帶有超導(dǎo)磁鐵線圈的近空間升華爐內(nèi)，在玻璃襯底上生長(zhǎng)一層CdS緩沖層；d、在制備好的CdS薄膜上使用近空間升華法生長(zhǎng)CdTe薄膜通過所述超導(dǎo)磁鐵線圈對(duì)所述襯底施加1~15T的磁場(chǎng)，在制備好CdS薄膜的玻璃襯底上生長(zhǎng)一層CdTe吸收層；e、使用磁控濺射儀在CdTe表面濺射金屬背電極，在高溫下退火形成歐姆接觸；f、獲得高效CdTe薄膜太陽電池。進(jìn)一步地，所述金屬背電極可以為鎳電極或者鋁電極或者銅電極或者金電極。進(jìn)一步地，所述步驟a中透明玻璃襯底預(yù)處理是指采用透明玻璃作為沉積襯底，采用丙酮超聲清洗515min，以去除玻璃表面的油脂，然后去離子水超聲清洗IO~20min去除玻璃表面雜質(zhì)；最后將玻璃烘干后放入預(yù)處理室，使用等離子體對(duì)玻璃襯底進(jìn)行清洗。進(jìn)一步地，所述步驟b中制備ln203:F透明導(dǎo)電薄膜是指通過;茲控'減射儀在透明玻璃襯底上濺射一層高導(dǎo)電層，濺射靶材為高純ln203，先用真空泵對(duì)'踐射室抽真空至5Pa以下，然后用分子泵對(duì)反應(yīng)室抽真空至l(TPa以下，通入Ar氣和5%CHF3,調(diào)節(jié)流量為30~60ml/min;調(diào)節(jié)反應(yīng)氣壓為0.2~0.5Pa;賊射功率100~500W;賊射時(shí)間0.5~2h。5進(jìn)一步地，所述步驟c中生長(zhǎng)CdS緩沖層是指先用真空泵將升華爐抽真空至5Pa以下，然后用分子泵對(duì)升華爐抽真空至10—2Pa以下，通入50。Mr氣和50%02，調(diào)節(jié)流量為5~20ml/min;調(diào)節(jié)氣壓為500~2000Pa;調(diào)節(jié)紅外卣素?zé)羰股A源溫度為550~620°C,襯底溫度為500-55(TC，源與襯底距離為2-8mm;升華時(shí)間為3~10s,制備好CdS薄膜后關(guān)閉升華源，通入80°Mr氣和20%02，保持襯底溫度在40(TC下退火處理20min。。進(jìn)一步地，所述步驟d中生長(zhǎng)CdTe薄膜是指先用真空泵將升華爐抽真空至5Pa以下，然后用分子泵對(duì)升華爐抽真空至l(T卞a以下，通入Ar氣，調(diào)節(jié)流量為5~20ml/min;調(diào)節(jié)氣壓為500~2000Pa;通過超導(dǎo)》茲4失線圈對(duì)襯底施加1~15T的磁場(chǎng)，隨后調(diào)節(jié)紅外卣素?zé)羰股A源溫度為560~600°C;襯底溫度為480~520°C，源與襯底距離為15咖；升華時(shí)間為0.5~2min;生長(zhǎng)好CdTe薄膜后關(guān)閉升華源，保持襯底溫度為480~52(TC，保持^f茲場(chǎng)強(qiáng)度為1-15T，對(duì)CdTe薄膜進(jìn)行退火處理，處理時(shí)間為30~50min。進(jìn)一步地，所述步驟e中使用磁控濺射儀在CdTe表面賊射金屬背電極是指先用真空泵對(duì)濺射室抽真空至5Pa以下，然后用分子泵對(duì)反應(yīng)室抽真空至l(T2Pa以下，通入Ar氣，調(diào)節(jié)氣壓為0.3~0.5Pa;賊射功率為200~500W;濺射時(shí)間為20~40min,最后將薄膜電池在Ar氣中400。C退火處理1~2h。使電極形成良好的歐姆接觸。本發(fā)明在1~15T的磁場(chǎng)中，采用近空間升華法生長(zhǎng)高質(zhì)量CdTe薄膜太陽電池，以高純CdS和CdTe粉末為原料，試驗(yàn)中釆用紅外卣素?zé)糇鳛榧訜嵩?，源與襯底距離為l~5mm;反應(yīng)室本底氣壓小于5Pa后，通入Ar氣，源的溫度在560~600°C;襯底溫度為48052(TC之間，》茲場(chǎng)強(qiáng)度連續(xù)可調(diào)保持在115T。強(qiáng)磁場(chǎng)能夠?qū)⒏邚?qiáng)度的磁能傳遞到物質(zhì)的原子尺度，改變?cè)拥呐帕泻瓦w移等行為。強(qiáng)磁場(chǎng)在材料制備中可控制材料生長(zhǎng)過程中的形態(tài)、大小和分布等等，從而影響材料的組織結(jié)構(gòu)。將近空間升華CdTe太陽電池的過程置于磁場(chǎng)中進(jìn)行，利用磁場(chǎng)對(duì)物質(zhì)極強(qiáng)的磁化力、磁能作用以及對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的洛侖磁力，能增強(qiáng)反應(yīng)物的活化和離解，促進(jìn)電子、CdS、CdTe等活性基團(tuán)6之間的相互作用，使CdTe薄膜能夠更致密的生長(zhǎng)，即磁場(chǎng)在薄膜生長(zhǎng)之間就強(qiáng)制的形成一個(gè)優(yōu)化的生長(zhǎng)方向，影響并控制薄膜的生長(zhǎng)過程。在強(qiáng)磁場(chǎng)下使用近空間升華法制備CdTe太陽電池，CdTe薄膜的表面平整度及致密性都有了非常明顯改善。本發(fā)明的特點(diǎn)是在磁場(chǎng)下采用近空間升華法制備高質(zhì)量的CdTe薄膜太陽電池。在磁場(chǎng)的作用下，在襯底上沉積200~600nm厚的高質(zhì)量CdTe薄膜，本發(fā)明通過調(diào)節(jié)磁場(chǎng)強(qiáng)度以控制薄膜的生長(zhǎng)密度，可以克服其他方法所制備的CdTe薄膜質(zhì)量差且表面粗糙的缺點(diǎn)，是一種制備高效高質(zhì)量CdTe薄膜太陽電池的極為有效的方法。說明書附圖圖1為本發(fā)明所使用設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意附圖標(biāo)號(hào)說明1.紅外卣素?zé)簦?.升華源，3.磁鐵，4.襯底臺(tái)，5.升華源擋板具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。本發(fā)明中紅外卣素?zé)鬺作為加熱源，溫度連續(xù)可調(diào)；襯底放在可升降，可旋轉(zhuǎn)的襯底臺(tái)4上；升華源2與襯底之間有升華源擋板5，可隔斷升華源2;磁場(chǎng)由超導(dǎo)磁鐵3產(chǎn)生。實(shí)施例(1)首先對(duì)透明玻璃襯底預(yù)處理采用1713透明玻璃作為沉積襯底，采用丙酮超聲清洗，以去除玻璃表面的油脂，然后去離子水超聲清洗去除玻璃表面雜質(zhì)；最后將玻璃烘干后放入預(yù)處理室，使用等離子體對(duì)玻璃襯底進(jìn)行清洗。(2)制備In203:F透明導(dǎo)電薄膜將透明玻璃襯底由機(jī)械臂在真空環(huán)境下自動(dòng)傳遞到^茲控濺射儀的樣品臺(tái)上，濺射靶材為高純ln203，先用真空泵對(duì)濺射室抽真空，然后用分子泵對(duì)反應(yīng)室抽真空，通入Ar氣和5"/。CHF3，調(diào)節(jié)流量；調(diào)節(jié)反應(yīng)氣壓及濺射功率，濺射一定時(shí)間。(3)生長(zhǎng)CdS薄膜將制備好透明導(dǎo)電薄膜的襯底由機(jī)械臂在真空環(huán)境下自動(dòng)傳遞至近空間升華爐襯底臺(tái)4上，升華源2為高純CdS粉末；先用真空泵將升華爐抽真空，然后用分子泵對(duì)升華爐抽真空，通入5(WAr氣和50%02，調(diào)節(jié)流量，調(diào)節(jié)氣壓；調(diào)節(jié)紅外卣素?zé)鬺使升華源2及襯底保持一定溫度，調(diào)節(jié)源與襯底距離；升華一定時(shí)間。(4)CdS薄膜退火處理制備好CdS薄膜后關(guān)閉升華源2,通入80%Ar氣和20%02,保持襯底溫度在400。C下退火處理20min。(5)生長(zhǎng)CdTe薄膜將制備好CdS薄膜的襯底放入帶有超導(dǎo)磁鐵3的近空間升華爐的真空裝置中，先用真空泵將升華爐抽真空，然后用分子泵對(duì)升華爐抽真空，通入Ar氣，調(diào)節(jié)流量；調(diào)節(jié)氣壓；通過超導(dǎo)磁鐵3對(duì)襯底基片施加一定強(qiáng)度的礞場(chǎng)，隨后調(diào)節(jié)紅外卣素?zé)羰股A源2及村底保持一定溫度，調(diào)節(jié)源與襯底距離；升華一定時(shí)間。(6)CdTe薄膜退火處理生長(zhǎng)好CdTe薄膜后關(guān)閉升華源，保持襯底達(dá)到一定溫度，保持磁場(chǎng)強(qiáng)度，對(duì)CdTe薄膜進(jìn)行退火處理，處理一定時(shí)間。(7)背電極制備在磁控磁控濺射儀的濺射室內(nèi)制備背電極，濺射靶材為高純Ni，先用真空泵對(duì)濺射室抽真空，然后用分子泵對(duì)反應(yīng)室抽真空，通入Ar氣，調(diào)節(jié)氣壓及濺射功率與臧射時(shí).間。最后將薄膜電池在Ar氣中400。C退火處理一定時(shí)間，使電極形成更好的歐姆接觸。磁場(chǎng)下按下表所指定的數(shù)據(jù)按上述步驟在透明導(dǎo)電玻璃上制備CdTe薄膜太陽電池實(shí)施例1實(shí)施例2實(shí)施例3實(shí)施例4實(shí)施例5步驟(l)丙酮超聲清洗時(shí)間(min)58101215步驟(l)去離子水清洗時(shí)間(min)1013151720步驟(2)真空泵抽真空氣壓(Pa)532218步驟(2)分子泵抽真空氣壓(Pa)10-32xl(T32x10—33x10匿33xl(T3步驟(2)通入混合氣體流量(ml/min)3040455060步驟(2)反應(yīng)氣壓(Pa)0.20.30.350.40.5.步驟(2)濺射功率(w)100200300400500步驟(2)濺射時(shí)間(h)0.50.81.21.62步驟(3)真空泵抽真空(Pa)53221步驟(3)分子泵抽真空(Pa)l(T32x10-32x10—33xl(T33xl(T3步驟(3)通入混合氣體流量(ml/min)58121620步驟(3)反應(yīng)氣壓(Pa)50080120016002000步驟(3)升華源溫度(°c)550570590600620步驟(3)襯底溫度(。C)500510520540550步驟(3)源與襯底距離(mm)24578步驟(3)升華時(shí)間(s)357910步驟(5)真空泵抽真空氣壓(Pa)53221步驟(5)分子泵抽真空氣壓(Pa)l(T32xl(T32xl(T33xl(T33xl(T3步驟(5)通入Ar氣流量(ml/min)58121620步驟(5)反應(yīng)氣壓(Pa)500801200160020009<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>通過對(duì)以上所制得的CdTe太陽電池，使用太陽能模擬器測(cè)試后，結(jié)果表明CdTe薄膜太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率甚佳，電池效率大于13%。通過在強(qiáng)磁場(chǎng)下近空間升華技術(shù)在玻璃襯底上外延生長(zhǎng)CdTe薄膜電池，可以精確控制材料的生長(zhǎng)及各層材料的厚度，從而進(jìn)一步提高太陽電池的效率。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，上述的具體實(shí)施方式只是示例性的，是為了更好的使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解本專利，不能理解為是對(duì)本專利包括范圍的限制，只要是根據(jù)本專利所揭示精神的所作的任何等同變更或修飾，均落入本專利包括的范圍。權(quán)利要求1、一種磁場(chǎng)下CdTe太陽電池的制備方法，其特征在于采用磁場(chǎng)下近空間升華法在透明導(dǎo)電玻璃上制備CdTe薄膜太陽電池，該方法具有以下工藝步驟a、透明玻璃襯底預(yù)處理；b、在透明玻璃襯底上制備In2O3:F透明導(dǎo)電薄膜；c、把制備好透明導(dǎo)電薄膜的玻璃襯底放入帶有超導(dǎo)磁鐵線圈的近空間升華爐內(nèi)，在玻璃襯底上生長(zhǎng)一層CdS緩沖層；d、在制備好的CdS薄膜上使用近空間升華法生長(zhǎng)CdTe薄膜通過所述超導(dǎo)磁鐵線圈對(duì)所述襯底施加1～15T的磁場(chǎng)，在制備好CdS薄膜的玻璃襯底上生長(zhǎng)一層CdTe吸收層；e、使用磁控濺射儀在CdTe表面濺射金屬背電極，在高溫下退火形成歐姆接觸；f、獲得高效CdTe薄膜太陽電池。2、根據(jù)權(quán)利要求書l所述的磁場(chǎng)下CdTe太陽電池的制備方法，其特征在于所述金屬背電極可以為鎳電極或者鋁電極或者銅電極或者金電極。3、根據(jù)權(quán)利要求書l所述的磁場(chǎng)下CdTe太陽電池的制備方法，其特征在于所述步驟a中透明玻璃村底預(yù)處理是指釆用透明玻璃作為沉積襯底，采用丙酮超聲清洗5~15min，以去除玻璃表面的油脂，然后去離子水超聲清洗10-20min去除玻璃表面雜質(zhì)；最后將玻璃烘干后放入預(yù)處理室，使用等離子體對(duì)玻璃村底進(jìn)行清洗。4、根據(jù)權(quán)利要求書l所述的磁場(chǎng)下CdTe太陽電池的制備方法，其特征在于所述步驟b中制備In203:F透明導(dǎo)電薄膜是指通過磁控濺射儀在透明玻璃襯底上濺射一層高導(dǎo)電層，濺射靶材為高純ln203,先用真空泵對(duì)濺射室抽真空至5Pa以下，然后用分子泵對(duì)反應(yīng)室抽真空至l(T卞a以下，通入Ar氣和5%CHF3,調(diào)節(jié)流量為30~60ml/min;調(diào)節(jié)反應(yīng)氣壓為0.2~0.5Pa;'減射功率100~500W;濺射時(shí)間0.5~2h。5、根據(jù)權(quán)利要求書l所述的磁場(chǎng)下CdTe太陽電池的制備方法，其特征在于所述步驟c中生長(zhǎng)CdS緩沖層是指先用真空泵將升華爐抽真空至5Pa以下，然后用分子泵對(duì)升華爐抽真空至10_2Pa以下，通入50。Mr氣和50。/。02,調(diào)節(jié)流量為5~20ml/min;調(diào)節(jié)氣壓為500~2000Pa;調(diào)節(jié)紅外卣素?zé)糈嗬羯A源溫度為550~620°C,襯底溫度為500~550°C，源與襯底距離為2~8mm;升華時(shí)間為3-10s;制備好CdS薄膜后關(guān)閉升華源，通入80。Mr氣和20%02,保持襯底溫度在40(TC下退火處理20min。6、根據(jù)權(quán)利要求書1所述的磁場(chǎng)下CdTe太陽電池的制備方法，其特征在于所述步驟d中生長(zhǎng)CdTe薄膜是指先用真空泵將升華爐抽真空至5Pa以下，然后用分子泵對(duì)升華爐抽真空至l(TPa以下，通入Ar氣，調(diào)節(jié)流量為5~20ml/min;調(diào)節(jié)氣壓為500-2000Pa;通過超導(dǎo)磁鐵線圈對(duì)襯底施加1~15T的磁場(chǎng)，隨后調(diào)節(jié)紅外卣素?zé)羰股A源溫度為560~600°C;襯底溫度為480~520°C,源與襯底距離為15mrn;升華時(shí)間為0.5~2min;生長(zhǎng)好CdTe薄膜后關(guān)閉升華源，保持襯底溫度為480-520。C，保持磁場(chǎng)強(qiáng)度為115T,對(duì)CdTe薄膜進(jìn)行退火處理，處理時(shí)間為30~50min。7、根據(jù)權(quán)利要求書1所述的磁場(chǎng)下CdTe太陽電池的制備方法，其特征在于所述步驟e中使用磁控賊射儀在CdTe表面濺射金屬背電極是指先用真空泵對(duì)'賊射室抽真空至5Pa以下，然后用分子泵對(duì)反應(yīng)室抽真空至l(T2Pa以下，通入Ar氣，調(diào)節(jié)氣壓為0.3~0.5Pa;濺射功率為200~500W;濺射時(shí)間為20~40min,最后將薄膜電池在Ar氣中40(TC退火處理1~2h。使電極形成良好的歐姆接觸。全文摘要本發(fā)明公開了一種磁場(chǎng)下CdTe太陽電池的制備方法，該方法具有以下工藝步驟透明玻璃襯底預(yù)處理；在透明玻璃襯底上制備In₂O₃∶F透明導(dǎo)電薄膜；把玻璃襯底放入近空間升華爐內(nèi)，在玻璃襯底上生長(zhǎng)CdS緩沖層；在制備好的CdS薄膜上使用近空間升華法生長(zhǎng)CdTe薄膜，通過超導(dǎo)磁鐵線圈對(duì)襯底施加1～15T的磁場(chǎng)，生長(zhǎng)CdTe吸收層；在CdTe表面濺射金屬背電極形成歐姆接觸；獲得高效CdTe薄膜太陽電池。在強(qiáng)磁場(chǎng)下使用近空間升華法制備CdTe太陽電池，CdTe薄膜的表面平整度及致密性都有了非常明顯改善，提高了CdTe薄膜太陽電池的轉(zhuǎn)化效率。文檔編號(hào)H01L31/18GK101673786SQ20091020161公開日2010年3月17日申請(qǐng)日期2009年10月12日優(yōu)先權(quán)日2009年10月12日發(fā)明者張根發(fā),蘇青峰,賴建明申請(qǐng)人:上海聯(lián)孚新能源科技有限公司