專利名稱：基于納米CdS薄膜的太陽能電池制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種基于納米CdS薄膜窗口層的太陽能電池制造方法，屬于太陽 能電池制造工藝技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
由于化石燃料在地球上的日漸枯竭，加上化石燃料引起的污染問題，在不久的將 來人類將面臨嚴峻的能源危機和環(huán)境危機。鑒于此許多國家都加大了對可再生能源技術(shù)發(fā) 展的支持強度。太陽能作為一種取之不盡、用之不竭、無污染的能源，它的利用在人類長期 的能源戰(zhàn)略中占據(jù)了極其重要的地位。其中太陽能光伏發(fā)電又是太陽能利用的一種主要形 式，它作為新能源中重要的一環(huán)近年越來越受到人們的廣泛關(guān)注，并得到飛速的發(fā)展。目前太陽電池產(chǎn)品主要為晶體硅電池，但晶硅材料的短缺及價格不斷上揚是制約 晶硅電池發(fā)展的瓶頸。在這種情況下薄膜太陽電池因材料的消耗低，能制備大面積組件而 有利于工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)點成為太陽能光伏電池的發(fā)展趨勢。經(jīng)統(tǒng)計，2009年全球薄膜電池 產(chǎn)量占到太陽能電池總產(chǎn)量的15%左右，2010年將接近20%。其中CdTe薄膜電池是目前 發(fā)展最迅速最重要的薄膜太陽能電池。實驗室中CdTe薄膜電池的最高效率達到16. 5%，實 際生產(chǎn)中效率超過10%。CdTe薄膜電池采用的基本結(jié)構(gòu)為玻璃/透明電極/CdS/CdTe/背 電極，由于窗口層材料CdS的禁帶寬度較小約為2. 4eV左右，這樣太陽光譜中波長小于500 納米的光就會被CdS窗口層吸收(據(jù)估計，0. 1微米厚的CdS薄膜可以吸收大約63%能量 大于其禁帶寬度的入射光)，從而損失了部分入射的光能，使得電池的效率降低。有幾個途 徑可以降低這種短波長光的損失第一是降低CdS窗口層的厚度降低光吸收。但是CdS薄 膜的厚度不能太薄，否則薄膜中會形成針孔缺陷，CdTe薄膜將和透明電極層短接，降低了電 池的開路電壓；第二就是提高窗口層材料的禁帶寬度。本發(fā)明就是通過改進CdS薄膜的制 備工藝，使得CdS薄膜的禁帶寬度提高，從而降低了太陽能電池中的短波損失，提高電池的 效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是通過射頻磁控濺射法制備高禁帶寬度的氧摻雜納米CdS薄膜 (CdS:0)，氬氣、氧氣和氯化鎘混合氣氛下納米CdS:0薄膜的熱處理提高了薄膜性能。采用 本發(fā)明CdS:0薄膜作為窗口層材料用于薄膜太陽能電池的制造，可以為提高薄膜太陽能電 池的效率提供一種方法。本發(fā)明的主要特征在于通過本方法獲得的納米CdS:0薄膜，具有較高的禁帶寬 度；混合氣氛熱處理提高了薄膜性能；采用該納米CdS:0薄膜的太陽能電池，由于短波損失 減少，從而短路電流增加，效率提高；采用該納米CdS:0薄膜還可以抑制CdS薄膜P型光吸 收層一側(cè)小禁帶寬度合金的形成，有利于高效率電池的制備。為達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案及步驟一、納米CdS:0薄膜的制備
將透明導電玻璃放入磁控濺射儀的樣品臺上，濺射靶材為高純CdS陶瓷靶；先用 真空泵對濺射室抽真空至5 20Pa，然后用分子泵對反應室抽真空至10_3Pa以下；通入氬 氣和氧氣的混合氣體，然后濺射納米CdS:0薄膜；氬氣和氧氣流量比為50/1 1/10，沉積 氣壓為0. 1 10Pa，濺射功率10 500W，濺射時間0. 5 10分鐘。二、納米CdS:0薄膜的熱處理將納米CdS薄膜放入近空間升華沉積設(shè)備的樣品臺；將反應室抽真空至10_2Pa以 下，升華源為高純氯化鎘晶體，升華源溫度350 450°C，樣品襯底溫度350 450°C ；通入 氬氣和氧氣的混合氣體，氬氣和氧氣流量比為50/1 1/10，腔體氣壓為0. 5 5000Pa，熱 處理時間1 60分鐘。三、基于納米CdS薄膜的太陽能電池的制備采用磁控濺射法或近空間升華法在納米CdS:0薄膜襯底上制備P型CdTe薄膜或 CdZnTe薄膜，再在ρ型薄膜上制備背電極，從而制備出太陽能電池，電池結(jié)構(gòu)如附圖1所示。本發(fā)明同現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下顯著優(yōu)點(1)本發(fā)明的納米CdS:0薄膜禁帶寬度(2. 5 3. IeV)高于常規(guī)使用的多晶CdS 薄膜(2. 4eV)，可以降低窗口層短波損失，從而提高太陽能電池的短路電流和轉(zhuǎn)換效率。(2)本發(fā)明的納米CdS: O薄膜可以抑制ρ型CdTe薄膜或CdZnTe薄膜中的Te向 CdS薄膜擴散，從而減少小禁帶寬度CdShTex合金的形成，降低短波損失，電池效率相對于 常規(guī)電池進一步改善。


圖1為本發(fā)明的基于納米CdS:0薄膜的太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式現(xiàn)將本發(fā)明的實例具體敘述于后。實施例1(1)納米CdS:0薄膜的制備將SnO2F透明導電玻璃放入磁控濺射儀的樣品臺上，濺射靶材為高純CdS陶瓷 靶(純度99.99%，襯.％)；先用真空泵對濺射室抽真空至15Pa，然后用分子泵對反應室抽 真空至7X10_4Pa;通入氬氣和氧氣的混合氣體，氬氣和氧氣流量比為5 1。沉積氣壓為 1. 5Pa，濺射功率80W，CdS薄膜濺射時間2分鐘。(2)納米CdS: O薄膜的熱處理將納米CdS薄膜放入近空間升華沉積設(shè)備的樣品臺；先用真空泵將近空間升華設(shè) 備抽真空至15Pa，然后用分子泵對反應室抽真空至9X 10_4Pa，升華源為高純氯化鎘晶體， 升華源溫度390°C，樣品襯底溫度390°C ；通入氬氣和氧氣的混合氣體，氬氣和氧氣流量比為 5 1，腔體氣壓為0. 5Pa，熱處理時間10分鐘。(3)納米CdS/CdTe薄膜太陽能電池的制備將熱處理后的納米CdS薄膜放入近空間升華沉積設(shè)備的樣品臺；先用真空泵將 近空間升華設(shè)備抽真空至15Pa，然后用分子泵對反應室抽真空至9X10_4Pa，升華源為高純 CdTe晶體，升華源溫度600°C，樣品襯底溫度500°C ；CdTe薄膜沉積時間為1分鐘；CdTe薄膜沉積后，在近空間升華沉積設(shè)備中對薄膜進行氯化鎘氣氛退火，退火條件與(2)中相同； CdTe薄膜退火后在磁控濺射儀中濺射ZnTe = Cu背電極，背電極厚度200納米。通過對以上制備的納米CdS:0薄膜進行測試，結(jié)果表明薄膜的晶粒大小為約11納 米，禁帶寬度為約2. 52eV,比常規(guī)CdS薄膜的禁帶寬度提高約0. IeV ；采用納米CdS:0薄膜 制備的CdS/CdTe薄膜太陽能電池的短路電流為23. 3mA，效率9. 3%。而采用相同電池制備 工藝，常規(guī)CdS薄膜/CdTe電池的短路電流為22. 1mA，效率8. 7%。表明采用大禁帶寬度的 納米CdS薄膜可以降低光損失，提高短路電流和效率。實施例2(1)納米CdS:0薄膜的制備將SnO2F透明導電玻璃放入磁控濺射儀的樣品臺上，濺射靶材為高純CdS陶瓷 靶(純度99.99%，襯.％)；先用真空泵對濺射室抽真空至15Pa，然后用分子泵對反應室抽 真空至7X10_4Pa;通入氬氣和氧氣的混合氣體，氬氣和氧氣流量比為4 1。沉積氣壓為 1. 5Pa，濺射功率80W，CdS薄膜濺射時間2分鐘。(2)納米CdS: 0薄膜的熱處理將納米CdS:0薄膜放入近空間升華沉積設(shè)備的樣品臺；先用真空泵將近空間升 華設(shè)備抽真空至15Pa，然后用分子泵對反應室抽真空至9X10_4Pa，升華源為高純氯化鎘晶 體，升華源溫度400°C，樣品襯底溫度400°C ；通入氬氣和氧氣的混合氣體，氬氣和氧氣流量 比為4 1，腔體氣壓為0. 6Pa，熱處理時間10分鐘。(3)納米CdS/CdZnTe薄膜太陽能電池的制備將熱處理后的納米CdS:0薄膜放入近空間升華沉積設(shè)備的樣品臺；先用真空泵將 近空間升華設(shè)備抽真空至15Pa，然后用分子泵對反應室抽真空至9 X 10_4Pa，升華源為高純 碲鋅鎘(CdZnTe)晶體，升華源溫度650°C，樣品襯底溫度550°C ；CdZnTe薄膜沉積時間為1 分鐘；CdZnTe薄膜沉積后，在近空間升華沉積設(shè)備中對薄膜進行氯化鎘氣氛退火，退火條 件與(2)中相同；CdZnTe薄膜退火后在磁控濺射儀中濺射ZnTe: Cu背電極，背電極厚度200 納米。通過對以上制備的納米CdS:0薄膜進行測試，結(jié)果表明薄膜的晶粒大小為約9納 米，禁帶寬度為約2. 59eV,比常規(guī)CdS薄膜的禁帶寬度提高0. 17eV ；采用納米CdS 0薄膜制 備的CdS/CdZnTe薄膜太陽能電池的短路電流為19. 2mA，效率6. 2%。而采用相同電池制備 工藝，常規(guī)CdS薄膜/CdZnTe電池的短路電流為18. 5mA,效率為5. 8%。
權(quán)利要求
一種基于納米CdS薄膜的太陽能電池制備方法，其特征在于該方法具有以下工藝步驟a.將透明導電玻璃放入磁控濺射儀的樣品臺上，濺射靶材為高純CdS陶瓷靶；先用真空泵對濺射室抽真空至5～20Pa，然后用分子泵對反應室抽真空至10-3Pa以下；通入氬氣和氧氣的混合氣體，然后濺射納米CdS:O薄膜；氬氣和氧氣流量比為50/1～1/10，沉積氣壓為0.1～10Pa，濺射功率10～500W，濺射時間0.5～10分鐘；b.將納米CdS薄膜放入近空間升華沉積設(shè)備的樣品臺；將反應室抽真空至10-2Pa以下，升華源為高純氯化鎘晶體，升華源溫度350～450℃，樣品襯底溫度350～450℃；通入氬氣和氧氣的混合氣體，氬氣和氧氣流量比為50/1～1/10，腔體氣壓為0.5～5000Pa，熱處理時間1～60分鐘；c.采用磁控濺射法或近空間升華法在納米CdS:O薄膜襯底上制備p型CdTe薄膜或CdZnTe薄膜，再在p型薄膜上制備背電極，從而制備出太陽能電池。
全文摘要
本發(fā)明涉及的是一種基于納米CdS薄膜窗口層的高效太陽能電池制造方法，屬于無機非金屬材料器件制造工藝領(lǐng)域。該太陽能電池的制備方法是通過磁控濺射法在導電玻璃上制備高禁帶寬度的氧摻雜納米CdS薄膜(CdS:O薄膜)，在濺射時通入一定比例的氬氣和氧氣的混合氣體，從而得到納米CdS:O薄膜；薄膜制備后在氬氣和氧氣的混合氣體及氯化鎘的蒸汽下高溫退火以改善薄膜性能；再在納米CdS:O薄膜上制備CdTe或CdZnTe薄膜及背電極從而制備出太陽能電池。通過采用CdS:O薄膜制備太陽能電池，有利于提高基于CdS薄膜的太陽能電池的效率。
文檔編號H01L31/20GK101882653SQ20101021580
公開日2010年11月10日 申請日期2010年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月29日
發(fā)明者唐可, 夏義本, 張繼軍, 王林軍, 貢偉明, 黃健 申請人:上海大學