一种新型的铜铟镓硒薄膜太阳电池无镉缓冲层材料的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于太阳电池领域，涉及以磁控溅射镀膜技术制备一种新型的铜铟镓砸(CIGS)薄膜太阳电池无镉缓冲层材料的方法，该缓冲层材料为ZnS与Mg共溅射得到的Zn1 xMgxS 薄膜。
【背景技术】
[0002]太阳电池是一种根据光生伏打效应而将太阳能直接转化成电能的半导体器件。CIGS薄膜太阳电池是20世纪80年代研发出的一种新型太阳电池，具有吸收层材料的吸收系数大、性能稳定、抗辐射能力强、光电转换效率高和弱光效应好等特点。目前，CIGS太阳电池的实验室转换效率已超过多晶硅，因此，其有着良好的应用前景。CIGS薄膜太阳电池的典型结构为:衬底(玻璃)/金属背电极(Mo) /光吸收层(CIGS) /缓冲层(CdS) /窗口层(ZnO)/透明前电极(AZO)/金属栅线电极(Al)。虽然缓冲层厚度一般只有50nm，但它能与吸收层形成异质结分离载流子以提高少子寿命，并保护吸收层。目前高效的CIGS太阳电池普遍采用硫化镉(CdS)为缓冲层材料，其实验室电池效率可达20%以上。CdS缓冲层一般采用化学水浴法(CBD)制备，与吸收层和窗口层的制备工艺不匹配，不利于流水线规模化生产；并且Cd有毒，不环保，不符合太阳电池的“环境友好”的要求；同时硫化镉的带隙小，对短波长的可见光有较强的吸收作用，不利于电池效率的进一步提升。为此，人们开始寻找CdS的替代物，并将重点放在硫化锌等化合物上，但硫化锌的带隙仍然偏小，同时其与吸收层存在较大的晶格失配，使界面质量下降，电池效率降低。因此，有必要寻找性能比ZnS更好的无镉缓冲层材料。我们用ZnS掺Mg制备的Zn1 xMgxS薄膜，由于Zn和Mg的离子半径不同，当Mg离子进入ZnS晶格替代部分Zn后，引起阴阳离子间距变化，随着Mg含量的变化，晶格常数发生细微变化，采用合适的掺杂量，可得到比ZnS更合适的晶格参数，使其与吸收层的晶格匹配良好，改善界面质量；由于MgS的带隙比ZnS的大，Zn1 xMgxS薄膜禁带宽度随着Mg含量x的变化呈线性连续变化，通过改变X可调控其Eg在3.6eV和4.5eV之间变化，从而可弥补硫化锌(Eg=3.6eV)带隙偏小的不足，因此，扩展Zn1 xMgxS的带隙可使其吸收边波长蓝移，从而增强紫外区的透过率，提高电池的光电转换效率。
【发明内容】
[0003]本发明提供了以磁控溅射镀膜技术制备一种新型的铜铟镓砸(CIGS)薄膜太阳电池无镉缓冲层材料Zn1 xMgxS的方法，采用ZnS靶(源)、Mg靶(源)进行共溅射，得到性能良好的Zn1 xMgxS薄膜，作为铜铟镓砸薄膜太阳电池无镉缓冲层。具体制备方法如下。
[0004]在普通钠钙玻璃衬底或柔性衬底上依次制备钼背电极和铜铟镓砸光吸收层，形成样片。
[0005]将纯度大于99.99%的ZnS靶(源)和Mg靶(源)分别装入靶座位置。
[0006]将溅射腔的本底真空抽至3 X 10 4Pa以下，采用纯度大于99.99%的高纯氩气，调控溅射腔气压为0.2Pa至2Pa之间。
[0007]采用射频共溅射ZnS靶和Mg革E，溅射氩气流量为20-35sCCm，两靶的溅射功率在50-300W内分别进行设定，共溅射15-50分钟即可得到厚度适中的Zn1 xMgxS缓冲层薄膜。
[0008]本发明采用磁控溅射方法制备的铜铟镓砸太阳电池无镉缓冲层Zn1 xMgxS薄膜，具有工艺简单、无污染、沉积速度快、便于大规模生产等特点。获得的缓冲层薄膜较致密、均匀、厚度易于控制，弥补了 ZnS带隙偏小和晶格失配的不足，通过扩展带隙，还提高了紫外区的透光率，可取代CdS缓冲层。
【具体实施方式】
[0009]为使本发明的上述目的、特征和优点能更加通俗易懂，下面结合【具体实施方式】对本发明做详细的说明。
[0010]实施例1
(1)在普通钠钙玻璃衬底上依次制备钼背电极和铜铟镓砸光吸收层，形成样片；
(2)将纯度大于99.99%的ZnS靶(源)和Mg靶(源)分别装入靶座位置；
(3)将溅射腔的本底真空抽至3X10 4Pa,采用纯度为99.99%以上的高纯氩气，调控溅射腔气压为0.5Pa ;
(4)采用射频共溅射ZnS靶和Mg靶，溅射氩气流量为30SCCm，ZnS靶的溅射功率为250W，Mg靶的溅射功率为60W，，共溅射20分钟即可得到Zn1 xMgxS缓冲层薄膜。
[0011]实施例2
(1)在柔性衬底上依次制备钼背电极和铜铟镓砸光吸收层，形成样片；
(2)将纯度大于99.99%的ZnS靶(源)和Mg靶(源)分别装入靶座位置；
(3)将溅射腔的本底真空抽至3X104Pa抽至2X10 4Pa,采用纯度为99.99%以上的高纯氩气，调控溅射腔气压为IPa ;
(4)采用射频共溅射ZnS靶和Mg靶，溅射氩气流量为25sCCm，ZnS靶的溅射功率为180W，Mg靶的溅射功率为50W，共溅射30分钟即可得到Zn1 xMgxS缓冲层薄膜。
[0012]以上所述内容仅为本发明构思下的基本说明，而依据本发明所做的等效变换，均应属于本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种新型铜铟镓砸薄膜太阳电池无镉缓冲层材料的制备方法，其制备步骤包括:在普通钠钙玻璃衬底或柔性衬底上依次制备钼背电极和铜铟镓砸光吸收层，形成样片；将纯度大于99.99%的ZnS靶(源)和Mg靶(源)分别装入靶座位置；将溅射腔的本底真空抽至3X10 4Pa以下，采用纯度大于99.99%的高纯氩气，在0.2Pa至2Pa之间调控溅射腔气压；采用射频共溅射ZnS靶和Mg靶，溅射氩气流量为20-35SCCm，两靶的溅射功率在50-300W内分别调控，共溅射15-50分钟即可得到厚度合适的Zn1 xMgxS缓冲层薄膜。2.根据权利要求1所述的铜铟镓砸薄膜太阳电池无镉缓冲层材料的制备方法，其特征在于:采用ZnS靶(源)、Mg靶(源)共溅射制备Zn1 xMgxS薄膜。3.根据权利要求1所述的铜铟镓砸薄膜太阳电池无镉缓冲层材料的制备方法，其特征在于:本底真空2X 10 4Pa以下，溅射腔气压为0.2Pa至2Pa之间，溅射氩气流量为20-35sccm，两靶的溅射功率在50-300W内调控，共溅射15-50分钟。
【专利摘要】本发明公开一种制备铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳电池无镉缓冲层材料的方法，该方法的特征是采用ZnS靶（源）、Mg靶（源）通过磁控溅射设备进行共溅射，得到Zn1-xMgxS缓冲层材料。此方法具有工艺简单、无污染、沉积速度快、便于大规模生产等特点。Zn1-xMgxS作为CIGS薄膜太阳电池的一种新型缓冲层材料，能够替代CdS，具有无镉、环境友好的特点；通过调节ZnS的Mg掺杂比例，可得到比ZnS更合适的晶格参数，降低了其与吸收层CIGS界面间的失配度，改善了界面质量；随着Mg含量x的变化，还能调节Zn1-xMgxS薄膜的带隙，弥补硫化锌带隙偏小的缺点；同时，Zn1-xMgxS的带隙拓宽还可增强紫外区的透光率，进而提高铜铟镓硒薄膜太阳电池的光电转换效率。
【IPC分类】H01L31/0296, H01L31/0445
【公开号】CN105047736
【申请号】CN201510445316
【发明人】杨雯, 赵恒利, 杨培志, 段良飞, 李学铭
【申请人】云南师范大学
【公开日】2015年11月11日
【申请日】2015年7月27日