一種CIGS薄膜電池的激光沉積制備工藝制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種CIGS薄膜電池的激光沉積制備工藝，依次在Mo玻璃襯底上沉積鈉化合物薄膜、CIGS薄膜、緩沖層薄膜和窗口層薄膜得到CIGS器件；本發(fā)明專利技術(shù)針對(duì)CIGS薄膜電池多層膜的特點(diǎn)，采用簡潔的多靶連續(xù)旋轉(zhuǎn)激光沉積，在同一真空腔內(nèi)，共享一套激光系統(tǒng)便可連續(xù)制備出鈉化合物薄膜、CIGS薄膜、緩沖層薄膜及窗口層薄膜，因而具有眾多優(yōu)點(diǎn)，另外由于整個(gè)電池器件主體包括p-n節(jié)的制備過程均未破真空，因而空氣及雜質(zhì)污染極少，在蒸發(fā)上Ni-Al電極并對(duì)電池進(jìn)行退火處理之后，可得到轉(zhuǎn)換效率高于12%的CIGS光伏器件。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及薄膜光伏器件制備及激光應(yīng)用領(lǐng)域，特別涉及一種制備銅銦鎵硒薄膜及電池器件的方法。
技術(shù)介紹
銅銦鎵硒(CuInGaSe2，簡寫CIGS)類為代表的新一代薄膜電池由于具有吸收率高、帶隙可調(diào)、成本低廉、轉(zhuǎn)換率高、弱光性好、性能穩(wěn)定以及抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而被公認(rèn)為是第三代太陽能電池的最佳材料之一，因而已成為當(dāng)前國際光伏界的研究熱點(diǎn)。CIGS電池是以CIGS材料為光吸收層的一類薄膜電池。近年來在其優(yōu)良性能和巨大需求背景之下，包括美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室NREL、全球太陽能GSE、殼牌太陽能She 11 So I ar、日本本田Honda、昭和殼牌石油Showa Shell、德國伍爾特Wurth Solar等全球近50家公司機(jī)構(gòu)投入巨額財(cái)力和人力進(jìn)行研發(fā)與生產(chǎn)，2011年產(chǎn)能達(dá)到GW水平，顯示出良好的發(fā)展勢(shì)頭。CIGS薄膜電池的制備工藝可分為真空工藝和非真空工藝。非真空工藝雖然成本相對(duì)較低，但薄膜質(zhì)量較差、效率低下，目前還處于研發(fā)階段。而目前高效率的CIGS光伏吸收層材料均為真空條件下沉積制得的，如共蒸法或?yàn)R射后硒化工藝。但傳統(tǒng)的真空生產(chǎn)工藝，均需要昂貴的真空設(shè)備系統(tǒng)、制程復(fù)雜、成分控制困難、重復(fù)性差、制備周期長、能耗高等缺點(diǎn)。而激光沉積技術(shù)具有眾多優(yōu)點(diǎn)，比如沉積速率高、適合高熔點(diǎn)物質(zhì)薄膜的沉積、能實(shí)現(xiàn)低溫襯底沉積高質(zhì)量薄膜、可防止氧化及雜質(zhì)污染等，而激光沉積最大優(yōu)點(diǎn)在于靶材成分和薄膜成分一致，有利于薄膜組分的控制。專利技術(shù)人在前期也采用脈沖激光沉積PLD技術(shù)濺射CuIruCuGa等合金祀材,然后硒化制備CIGS薄膜,見Solid State Commun.146(2008)57。但問題在于由于激光能量很高，轟擊合金材料，易于出現(xiàn)In、Ga等低熔點(diǎn)材料的小球，導(dǎo)致薄膜材料極為粗糙，硒化后無法得到高質(zhì)量的均勻CIGS薄膜。傳統(tǒng)三步共蒸法中需要繁瑣的成分監(jiān)控技術(shù)，同時(shí)需要大量的Se源蒸發(fā)以提供充足的Se蒸氣壓以保證富Se-CIGS薄膜的生成，因而良品率及重復(fù)性差；而濺射后硒化兩步法也需要復(fù)雜的后硒化爐子設(shè)備及工藝。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)旨在提供一種CIGS薄膜電池的激光沉積制備工藝，所要解決的技術(shù)問題是提高CIGS薄膜質(zhì)量、制備的重復(fù)性和良品率，簡化制備工藝。本專利技術(shù)CIGS薄膜電池的激光沉積制備工藝如下:依次在Mo玻璃襯底上沉積鈉化合物薄膜、CIGS薄膜、緩沖層薄膜和窗口層薄膜得到CIGS器件；所述鈉化合物薄膜通過熱蒸發(fā)沉積、濺射沉積、激光沉積或電子束沉積得到，所述鈉化合物選自 NaF、NaCl、Na Br、Na1、Na2O, Na2O2, Na2C03、Na2SO4, NaHCO3> NaHSO4 中的一種或幾種，優(yōu)選NaF，所述鈉化合物薄膜的厚度為10-50nm，優(yōu)選25nm ;所述鈉化合物薄膜的制備優(yōu)選激光沉積的方式，沉積時(shí)的襯底溫度為20-200°C，優(yōu)選100°C。所述CIGS薄膜通過激光沉積得到，沉積所述CIGS薄膜的靶材為高熔點(diǎn)的(熔點(diǎn)為600-1200°C)含Se多元靶材，所述含Se多元靶材按配比量選自Cu2Se、CuSe、In2Se3、InSe、Ga2Se3、GaSe> (In, Ga) 2Se3> CuInSe2、CuGaSe2> CuInGaSe2 中的一種或幾種，優(yōu)選 CuInGaSe2,CIGS薄膜激光沉積的襯底溫度控制在200-300°C，所述CIGS薄膜的厚度為1.5-2.5 y m ;采用高能激光(激光能量在IOO-1OOOmJ)轟擊靶材，可有效抑制Se元素?fù)]發(fā)流失，同時(shí)可在300°C較低的襯底溫度之下，一次性快速得到符合化學(xué)劑量比的高質(zhì)量CIGS薄膜；所述緩沖層薄膜通過激光沉積得到，沉積所述緩沖層薄膜的靶材選自ZrvxMgxO(0〈x〈l)、CdZnS, ZeSe, ZnS、ZnIn2Se4, In2S3 或 In(OH)aSb (a+2b=3，其中 a、b 為大于 0 的正整數(shù))，優(yōu)選In2S3，緩沖層薄膜激光沉積的襯底溫度控制在80-120°C，所述緩沖層薄膜的厚度為45-55nm ;本專利技術(shù)采用激光沉積干法技術(shù)制備緩沖層薄膜，替代傳統(tǒng)化學(xué)浴濕法工藝，可有利于CIGS電池全干法生產(chǎn)線的in-line自動(dòng)化集成。傳統(tǒng)緩沖層薄膜一般采用CdS薄膜，同時(shí)采用濕法的化學(xué)浴CBD沉積。該工藝具有兩個(gè)缺點(diǎn):第一，濕法工藝與背電極Mo薄膜、光吸收層CIGS、窗口層ZnO的真空沉積技術(shù)無法兼容，因而導(dǎo)致器件生產(chǎn)流程的破真空環(huán)節(jié)出現(xiàn)，不僅增加了設(shè)備的成本和工序的繁瑣程度，還影響了電池的最終效率。第二，Cd屬于劇毒元素，不符合國家環(huán)保等相關(guān)發(fā)展政策指導(dǎo)方針，必須找到無毒環(huán)保型替代緩沖層材料。所述窗口層薄膜是在O2分壓O-1OOPa下通過激光依次轟擊1-Zn0革巴材以及AZO或ITO靶材，得到本征的1-Zn0薄膜和高透光率、高電導(dǎo)的AZO窗口層薄膜。i_Zn0薄膜的厚度在50-80nm，低阻的(電阻在20 Q / □以下)AZO或ITO薄膜的厚度為500_800nm，而AZO薄膜中Al2O3的摻量為2-3%。所述CIGS薄膜、緩沖層薄膜和窗口層薄膜的沉積過程為連續(xù)沉積，進(jìn)一步優(yōu)選所述鈉化合物薄膜、CIGS薄膜、緩沖層薄膜和窗口層薄膜的沉積過程為連續(xù)沉積。所謂連續(xù)沉積，指的是共用一個(gè)真空腔和激光系統(tǒng)，在不破壞保護(hù)氣氛的情況下通過更換靶材實(shí)現(xiàn)激光連續(xù)沉積。本發(fā)`明激光沉積是在氬氣氣氛下操作的。在所述CIGS器件上蒸發(fā)N1-Al電極，并進(jìn)行退火處理，得到CIGS薄膜電池。本專利技術(shù)Mo玻璃襯底是在玻璃襯底上通過磁控濺射沉積Mo得到。激光沉積技術(shù)具有眾多優(yōu)點(diǎn)，比如沉積速率高、適合高熔點(diǎn)物質(zhì)薄膜的沉積、能實(shí)現(xiàn)低溫襯底沉積高質(zhì)量薄膜、可防止氧化及雜質(zhì)污染等，而激光沉積最大優(yōu)點(diǎn)在于靶材成分和薄膜成分一致，有利于薄膜組分的控制。本專利技術(shù)首先在Mo玻璃襯底上沉積鈉化合物薄膜，再采用高能量的激光轟擊含Se多元靶材，高熔點(diǎn)的含Se多元靶材在高能量激光作用之下可得到非常均勻的薄膜，而不會(huì)產(chǎn)生激光轟擊合金那樣的低熔點(diǎn)小液體球。由于激光的高能量,可達(dá)108W/cm2，靶材表面元素在高能激光作用之下，瞬間氣化形成高能量的等離子體，在200-300°C低溫下便可在Mo玻璃襯底上形成高質(zhì)量的CIGS薄膜。相較于傳統(tǒng)共蒸發(fā)工藝，無需其繁瑣的三步成分監(jiān)控及大量Se元素的蒸發(fā)浪費(fèi)，也無需濺射后硒化兩步法后續(xù)的復(fù)雜硒化工藝及冗長的制備周期；同時(shí)，Na的摻雜對(duì)于高質(zhì)量CIGS薄膜的制備也極為關(guān)鍵，由于Na的摻雜引入能夠降低薄膜熔點(diǎn)以及等離子體的高能量，從而可在200-300°C低溫下便得到高質(zhì)量的CIGS薄膜，由于襯底溫度無需傳統(tǒng)真空工藝500-600°C以上的高溫，因而可在耐高溫柔性塑料基體上實(shí)現(xiàn)CIGS薄膜的低溫沉積，進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。本專利技術(shù)激光沉積裝置采用多靶連續(xù)旋轉(zhuǎn)激光沉積裝置(見圖2、圖3)，利用激光轟擊，在Mo玻璃襯底上連續(xù)沉積鈉化合物薄膜、CIGS薄膜、緩沖層薄膜以及窗口層薄膜，靶材數(shù)量依據(jù)具體所需靶材確定。由于采用多靶旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)，可在不破壞真空腔環(huán)境(即未破壞保護(hù)氣氛)的情況下實(shí)現(xiàn)CIGS器件的激光連續(xù)旋轉(zhuǎn)濺射沉積，減少真空腔體及設(shè)備的使用；同時(shí)多層膜沉積源共享一套激光系統(tǒng)，這里激光系統(tǒng)也可由大本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種CIGS薄膜電池的激光沉積制備工藝，其特征在于：依次在Mo玻璃襯底上沉積鈉化合物薄膜、CIGS薄膜、緩沖層薄膜和窗口層薄膜得到CIGS器件；所述鈉化合物薄膜通過熱蒸發(fā)沉積、濺射沉積、激光沉積或電子束沉積得到，所述鈉化合物選自NaF、NaCl、NaBr、NaI、Na2O、Na2O2、Na2CO3、Na2SO4、NaHCO3、NaHSO4中的一種或幾種，所述鈉化合物薄膜的厚度為10?50nm；所述CIGS薄膜通過激光沉積得到，沉積所述CIGS薄膜的靶材為含Se多元靶材，所述含Se多元靶材按配比量選自Cu2Se、CuSe、In2Se3、InSe、Ga2Se3、GaSe、(In,Ga)2Se3、CuInSe2、CuGaSe2、CuInGaSe2中的一種或幾種，所述CIGS薄膜的厚度為1.5?2.5μm；所述緩沖層薄膜通過激光沉積得到，沉積所述緩沖層薄膜的靶材選自Zn1?xMgxO、CdZnS、ZeSe、ZnS、ZnIn2Se4、In2S3或In(OH)aSb，所述緩沖層薄膜的厚度為45?55nm；所述窗口層薄膜是在氧氣分壓0?100Pa下通過激光依次轟擊i?ZnO靶材以及AZO或ITO靶材得到。...

【技術(shù)特征摘要】
1.一種CIGS薄膜電池的激光沉積制備工藝，其特征在于: 依次在Mo玻璃襯底上沉積鈉化合物薄膜、CIGS薄膜、緩沖層薄膜和窗口層薄膜得到CIGS器件； 所述鈉化合物薄膜通過熱蒸發(fā)沉積、濺射沉積、激光沉積或電子束沉積得到，所述鈉化合物選自 NaF、NaCl、NaBr、Na1、Na2O, Na2O2、Na2CO3、Na2SO4、NaHCO3、NaHSO4 中的一種或幾種，所述鈉化合物薄膜的厚度為10-50nm ； 所述CIGS薄膜通過激光沉積得到，沉積所述CIGS薄膜的靶材為含Se多元靶材，所述含 Se 多兀革巴材按配比量選自 Cu2Se、CuSe、In2Se3、InSe、Ga2Se3、GaSe、(In, Ga) 2Se3、CuInSe2、CuGaSe2, CuInGaSe2中的一種或幾種，所述CIGS薄膜的厚度為1.5-2.5um； 所述緩沖層薄膜通過激光沉積得到，沉積所述緩沖層薄膜的靶材選自ZrvxMgxCKCdZnS, ZeSe, ZnS, ZnIn2Se4, In2S3 或 In (OH) aSb，所述緩沖層薄膜的厚度為 45_55nm ； 所述窗口層薄膜是在氧氣分壓O-1OOPa下通過...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：羅派峰，周麗，丁遠(yuǎn)奎，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：合肥工業(yè)大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：