本發(fā)明屬于薄膜太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽能電池高阻層的制備方法，以及基于該高阻層應(yīng)用于CIGS薄膜太陽能電池的結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

能源危機(jī)和環(huán)境污染是當(dāng)今全球所面臨的兩大基本問題。Cu(In,Ga)Se₂(CIGS)薄膜對可見光吸收系數(shù)高,禁帶寬度合適,抗輻射能力強、電池性能穩(wěn)定、弱光性好等優(yōu)點，被認(rèn)為是最有前途的光電材料之一。

傳統(tǒng)的CIGS太陽電池結(jié)構(gòu)主要采用堿石灰玻璃/Mo電極薄膜/P型吸收層ClGS薄膜/緩沖層CdS薄膜/ZnO高阻層/AZO透明導(dǎo)電層/Al柵電極，對于電池轉(zhuǎn)換效率這一綜合指標(biāo)而言，各層薄膜材料的性能和相互界面具有至關(guān)重要的影響和作用。窗口層ZnO薄膜是由高阻ZnO(本征ZnO或i—ZnO)和低阻Zn0(Zn0：Al或n—ZnO)構(gòu)成，高阻ZnO作為CIGS太陽電池PN結(jié)的一部分有著極其重要作用。首先，在通常情況下制備出的ZnO薄膜都呈現(xiàn)出N極，所以ZnO又有“單極半導(dǎo)體"之稱。本征ZnO薄膜一般為高阻材料，電阻率達(dá)到10¹²Ω·cm。由于ZnO薄膜中容易形成氧空位和鋅填原子，在ZnO晶體的能帶結(jié)構(gòu)中形成缺陷能級，使得ZnO薄膜呈現(xiàn)出N型，因此可以和其他的P型材料構(gòu)成異質(zhì)結(jié)。N型ZnO薄膜廣泛應(yīng)用于Si太陽能電池、CIS太陽能電池和CdTe太陽能電池等。其次，ZnO薄膜在可見光范圍內(nèi)具有較高的透射率，同時ZnO薄膜受到高能粒子輻射損傷小，特別適合于太空中使用，并且ZnO材料來源豐富、價格便宜，具有很多方面的優(yōu)勢。

隨著人們對較短波長區(qū)域探索的日益深入，寬禁帶半導(dǎo)體已漸漸成為世界關(guān)注的焦點，為了進(jìn)一步提升CIGS太陽電池的轉(zhuǎn)換效率，需要對傳統(tǒng)的制備材料和工藝進(jìn)行升級，其中高阻層ZnO薄膜的禁帶寬度保持3.3eV不可改變，限制了電池效率的提升及薄膜太陽能電池的結(jié)構(gòu)升級，急需一種替代材料以進(jìn)一步增強對藍(lán)光的吸收,拓寬光譜響應(yīng)范圍,提高太陽能電池的開壓，從而提升電池效率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)中(1)高阻層ZnO薄膜禁帶寬度較小，限制了電池效率的提升；(2)高阻層ZnO薄膜禁帶寬度保持3.3eV不可改變，限制CIGS薄膜太陽能電池的結(jié)構(gòu)升級等兩個方面的問題提出一種新型CIGS薄膜太陽能電池高阻層的制備方法。此方法包括一種MgZnO薄膜材料及利用其制作CIGS薄膜太陽能電池器件，本發(fā)明提供的高阻層指的是MgZnO結(jié)構(gòu)，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)工藝?yán)锏母咦鑼覼nO的位置，與ZnO相比，MgZnO薄膜禁帶寬度更大，可以更有效利用藍(lán)光,增加光譜響應(yīng)范圍,從而提高太陽能電池效率，且由于MgZnO薄膜材料帶隙可調(diào)，可以促使CIGS薄膜太陽能電池的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行升級。本發(fā)明是通過如下的技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種利用MgZnO薄膜制作CIGS薄膜太陽能電池的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：

步驟一、在鈉鈣玻璃基底上沉積背電極鉬Mo層；

步驟二、在Mo層上制備CIGS薄膜層作為光吸收層；

步驟三、在CIGS上制備硫化鎘CdS層；

步驟四、在硫化鎘CdS層上制備摻鎂氧化鋅層即MgZnO薄膜；

步驟五、對步驟四中制備的MgZnO薄膜進(jìn)行退火處理；

步驟六、在MgZnO薄膜層上制備摻鋁氧化鋅AZO層，構(gòu)成如SLG/Mo/CIGS/CdS/MgZnO/AZO的CIGS電池器件結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步地，在步驟一中，所述背電極鉬Mo層，沉積厚度為0.5μm—1μm，作為電池的背電極。

進(jìn)一步地，在步驟二中，所述CIGS薄膜層，沉積厚度為1μm—2μm，作為電池的光吸收層。

進(jìn)一步地，在步驟三中，所述硫化鎘CdS層，沉積厚度為30nm—80nm，作為電池的緩沖層。

所述硫化鎘CdS層利用水浴法制備。

進(jìn)一步地，在步驟四中，所述的MgZnO薄膜，其使用的靶材是由ZnO和MgO粉末混合燒結(jié)而成的MgZnO靶材，MgZnO薄膜中Mg/(Mg+Zn)的原子比分布在8％—25％。

通過調(diào)節(jié)Mg和Zn的比例，使薄膜禁帶寬度在3.5—3.9eV之間變化。

進(jìn)一步地，所述的沉積MgZnO薄膜層，是使用直流或直流脈沖磁控濺射的方法沉積厚度為30nm—100nm。

進(jìn)一步地，在制備MgZnO薄膜層過程中，濺射功率密度為1.65～3.73W/cm²，本底真空為3×10^-3Pa以下，濺射壓強為0.3—2Pa，濺射時基體不加熱。

進(jìn)一步地，在步驟五中，在空氣、真空或保護(hù)性氣體中對MgZnO薄膜進(jìn)行退火處理時，退火溫度為100～300℃，退火時間為10min～60min，其中所述的保護(hù)性氣體為氬氣或氮氣。

進(jìn)一步地，在步驟六中，所述AZO薄膜層沉積厚度為300nm—1000nm，作為電池的透明導(dǎo)電層。

本申請?zhí)岢龅腗gZnO薄膜的生長方法，由于CdS緩沖層和MgZnO薄膜之間較大的晶格失配及帶隙的差異，常會導(dǎo)致MgZnO薄膜成三維島狀生長，從而影響薄膜的晶體質(zhì)量，而且晶格失配還常會在沉積的MgZnO薄膜時引入應(yīng)力，這種應(yīng)力及應(yīng)力弛豫都會對半導(dǎo)體的性能產(chǎn)生極大的影響，為了改善所沉積薄膜的晶體質(zhì)量，需要對薄膜進(jìn)行退火處理。在空氣，真空或保護(hù)性氣體中不同退火溫度下處理的MgZnO薄膜，隨著退火溫度的增加，薄膜表面變得平滑，并且晶粒尺寸變大，退火處理使表面原子發(fā)生遷移，從而減小了薄膜的表面粗糙度，改善了薄膜質(zhì)量。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一種利用MgZnO薄膜制作CIGS薄膜太陽能電池方法的流程示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例1-實施例4的MgZnO薄膜在紫外～可見光范圍內(nèi)的透過率圖；

圖3為本發(fā)明實施例1的MgZnO薄膜的掃描電鏡照片(未經(jīng)退火處理)；

圖4為本發(fā)明實施例1的MgZnO薄膜經(jīng)過空氣中150℃退火處理后的掃描電鏡照片；

圖5為本發(fā)明實施例3的MgZnO薄膜的掃描電鏡照片(未經(jīng)退火處理)；

圖6為本發(fā)明實施例3的MgZnO薄膜經(jīng)過真空中250℃退火處理后的掃描電鏡照片。

具體實施方式

以下結(jié)合實施案例和附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步地說明。

圖1為本發(fā)明公開的一種利用MgZnO薄膜制作CIGS薄膜太陽能電池的方法的流程示意圖，如圖1所示，該電池包括鈉鈣玻璃襯底、背電極Mo層、CIGS吸收層、CdS緩沖層、MgZnO高阻層以及頂電極AZO層。利用MgZnO薄膜制作CIGS薄膜太陽能電池的方法包括以下步驟：

步驟一、在鈉鈣玻璃基底上沉積背電極鉬(Mo)層；

所述背電極鉬Mo層，沉積厚度為0.5μm—1μm，作為電池的背電極。

步驟二、在Mo層上制備CIGS薄膜層作為光吸收層；

所述CIGS薄膜層，沉積厚度為1μm—2μm，作為電池的光吸收層。

步驟三、在CIGS上利用水浴(CBD)法制備CdS層；

所述硫化鎘CdS層，沉積厚度為30nm—80nm，作為電池的緩沖層。

步驟四、在CdS層上利用磁控濺射方法制備高阻層MgZnO；

所述的MgZnO薄膜，其使用的靶材是由ZnO和MgO粉末混合燒結(jié)而成的MgZnO靶材，MgZnO薄膜中Mg/(Mg+Zn)的原子比分布在8％—25％。通過調(diào)節(jié)Mg和Zn的比例，使薄膜禁帶寬度在3.5—3.9eV之間變化。MgZnO薄膜層，是使用直流或直流脈沖磁控濺射的方法沉積厚度為30nm—100nm。在制備MgZnO薄膜層過程中，濺射功率密度為1.65～3.73W/cm²，本底真空為3×10^-3Pa以下，濺射壓強為0.3—2Pa，濺射時基體不加熱。

步驟五、對步驟四中制備的MgZnO薄膜在空氣，真空或保護(hù)性氣體中進(jìn)行退火處理以進(jìn)一步改善成膜質(zhì)量；

空氣、真空或保護(hù)性氣體中對MgZnO薄膜進(jìn)行退火處理時，退火溫度為100～300℃，退火時間為10min～60min。

步驟六、在MgZnO薄膜層上制備摻鋁氧化鋅(AZO)層，構(gòu)成如SLG(鈉鈣玻璃)/Mo/CIGS/CdS/MgZnO/AZO的CIGS電池器件結(jié)構(gòu)；

所述AZO薄膜層沉積厚度為300nm—1000nm，作為電池的透明導(dǎo)電層。

實施例1

根據(jù)本發(fā)明，該電池的制作方法如下所述步驟：

步驟一，在鈉鈣玻璃基底上制備Mo層，膜層的厚度為0.8μm。

步驟二，在Mo層上制備CIGS層，膜層的厚度為2μm。

步驟三，在CIGS層制備CdS薄膜層，膜層的厚度為50nm。

步驟四，采用直流磁控濺射的方法，在CdS層上制備MgZnO層，其中Mg/(Mg+Zn)原子比為12％，功率密度為2.56W/cm²，本底真空為3×10^-3Pa以下，濺射壓強為1Pa，膜層的厚度為50nm。

步驟五，制備好的MgZnO薄膜層在空氣中150℃進(jìn)行退火，退火時間為30min，由附圖3和附圖4進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，退火后的薄膜表面變得平滑，平均粒徑變大，退火處理使表面原子發(fā)生遷移，從而改善了薄膜的表面粗糙度。

步驟六，在SLG(鈉鈣玻璃)/Mo/CIGS/CdS/MgZnO上制備AZO層，膜層的厚度為500nm。

由附圖2可以看出，MgZnO薄膜在400—1400nm范圍內(nèi)透射率高于90％，其帶隙為3.6eV，作為CIGS薄膜太陽能電池的高阻層，與同等條件下制備的SLG(鈉鈣玻璃)/Mo/CIGS/CdS/ZnO/AZO結(jié)構(gòu)相比，其開壓能夠提升3％—7％，電池效率可以提升0.5％—2％，詳細(xì)數(shù)據(jù)可參考表1，表1為本發(fā)明實施例1和常規(guī)方法制備的CIGS薄膜電池的各項參數(shù)對比。

表1

實施例2

步驟一，在鈉鈣玻璃基底上制備Mo層，膜層的厚度為0.9μm。

步驟二，在Mo層上制備CIGS層，膜層的厚度為1.5μm。

步驟三，在CIGS層制備CdS薄膜層，膜層的厚度為70nm。

步驟四，采用直流脈沖磁控濺射的方法，在CdS層上制備MgZnO層，其中Mg/(Mg+Zn)的原子比為19％，功率密度為2.56W/cm²，本底真空為3×10^-3Pa以下，濺射壓強為1Pa，膜層的厚度為70nm。

步驟五，制備好的MgZnO薄膜層在高純氬氣中150℃進(jìn)行退火，退火時間為30min。

步驟六，在SLG(鈉鈣玻璃)/Mo/CIGS/CdS/MgZnO上制備AZO層，膜層的厚度為500nm。由附圖2可以看出，MgZnO薄膜在400—1400nm范圍內(nèi)透射率高于90％，其帶隙為3.73eV，與實施例1相比，帶隙明顯提高，說明隨著Mg含量的升高，該膜層的帶隙更高。與同等條件下制備的SLG(鈉鈣玻璃)/Mo/CIGS/CdS/ZnO/AZO結(jié)構(gòu)相比，其開壓能夠提升5％—8％，電池效率可以提升1％—2％。

實施例3

步驟一，在鈉鈣玻璃基底上制備Mo層，膜層的厚度為0.6μm。

步驟二，在Mo層上制備CIGS層，膜層的厚度為1.2μm。

步驟三，在CIGS層制備CdS薄膜層，膜層的厚度為45nm。

步驟四，采用直流磁控濺射的方法，在CdS層上制備MgZnO層，其中Mg/(Mg+Zn)的原子比為12％，功率密度為2.56W/cm²，本底真空為3×10^-3Pa以下，濺射壓強為1Pa，膜層的厚度為40nm。

步驟五，制備好的MgZnO薄膜層在真空中250℃進(jìn)行退火，退火時間為30min，由附圖5和附圖6進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，退火后的薄膜表面變得平滑，平均粒徑變大，退火處理使表面原子發(fā)生遷移，從而改善了薄膜的表面粗糙度，提高了PN結(jié)的質(zhì)量。

步驟六，在SLG(鈉鈣玻璃)/Mo/CIGS/CdS/MgZnO上制備AZO層，膜層的厚度為450nm。

由附圖2可以看出，Zn(O,S)薄膜在400—1800nm范圍內(nèi)透射率高于90％，其帶隙為3.65eV，與同等條件下制備的SLG(鈉鈣玻璃)/Mo/CIGS/CdS/ZnO/AZO結(jié)構(gòu)相比，6％—10％，電池效率可以提升1.5％—3％，與同等情況下的實施例1相比，開壓和效率小幅上升，這和帶隙增加有關(guān)系，說明退火溫度的升高有利于提升薄膜帶隙。

實施例4

步驟一，在鈉鈣玻璃基底上制備Mo層，膜層的厚度為0.8μm。

步驟二，在Mo層上制備CIGS層，膜層的厚度為2μm。

步驟三，在CIGS層制備CdS薄膜層，膜層的厚度為50nm。

步驟四，采用直流脈沖磁控濺射的方法，在CdS層上制備MgZnO層，其中Mg/(Mg+Zn)的原子比為19％，功率密度為2.56W/cm²，本底真空為3×10^-3Pa以下，濺射壓強為1Pa，膜層的厚度為50nm。

步驟五，制備好的MgZnO薄膜層在高純氮氣中250℃進(jìn)行退火，退火時間為30min。

步驟六，在SLG(鈉鈣玻璃)/Mo/CIGS/CdS/MgZnO上制備AZO層，膜層的厚度為500nm。

由附圖2可以看出，MgZnO薄膜在400—1400nm范圍內(nèi)透射率高于90％，其帶隙為3.9eV，與同等條件下制備的SLG(鈉鈣玻璃)/Mo/CIGS/CdS/ZnO/AZO結(jié)構(gòu)相比，10％—15％，電池效率可以提升2％—5％，與同等情況下的實施例2相比，開壓和效率小幅上升，這和帶隙增加有關(guān)系，說明退火溫度的升高有利于提升薄膜帶隙，詳細(xì)數(shù)據(jù)可參考表2，表2為本發(fā)明實施例4和常規(guī)方法制備的CIGS薄膜電池的各項參數(shù)對比。

表2

申請人結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明的實施例做了詳細(xì)的說明與描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，以上實施例僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，詳盡的說明只是為了幫助讀者更好地理解本發(fā)明精神，而并非對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，相反，任何基于本發(fā)明的發(fā)明精神所作的任何改進(jìn)或修飾都應(yīng)當(dāng)落在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

本發(fā)明主要優(yōu)勢在提高開壓從而提升效率，這在實施例中已經(jīng)有所體現(xiàn)，其他表格內(nèi)容均屬于本領(lǐng)域人員能夠充分理解的內(nèi)容，所以無需再贅述。