一種銅銦鎵硒薄膜太陽電池緩衝層的製備方法與流程
2023-05-27 04:35:36 3
本發明屬於太陽電池技術領域，特別是涉及一種銅銦鎵硒薄膜太陽電池緩衝層的製備方法。
背景技術：
如今，銅銦鎵硒薄膜太陽電池因其生產成本低廉、對環境汙染小、弱光性能好等顯著特點，具有較好的發展前景。現有的銅銦鎵硒薄膜太陽電池的典型結構為如下的多層膜結構：襯底/底電極/吸收層/緩衝層/窗口層/上電極。
銅銦鎵硒薄膜太陽電池多採用CdS薄膜作為電池緩衝層，一方面可以改善能帶結構，另一方面可以在緩衝層製備過程中保護吸收層。但由於CdS毒性強，對環境汙染嚴重，同時CdS禁帶寬度較小，限制了銅銦鎵硒太陽能電池效率進一步提升。並且CdS薄膜的製備方法多採用溼法製備，不利於與其他層幹法製備相匹配。因此，Zn(O,S)作為替代CdS薄膜的理想材料而被廣泛關注。
Zn(O,S)薄膜的優點在於環境汙染較小，禁帶寬度較大且可通過調節氧和硫的原子比來調節禁帶寬度，可有效提高電池效率。Zn(O,S)薄膜多採用化學水浴法或磁控濺射法製備。化學水浴法為溼法製備，不利於與銅銦鎵硒電池其他各層幹法製備相匹配；磁控濺射法難以精確控制膜層生長並且可能對吸收層產生破壞。因此，如何實現精準製備Zn(O,S)薄膜作為銅銦鎵硒薄膜太陽電池緩衝層成為該技術領域亟待解決的問題。
技術實現要素：
本發明為解決現有技術存在的問題，提供了一種採用原子層沉積方法製備銅銦鎵硒太陽電池緩衝層的方法，採用如下技術方案：
以二乙基鋅、H2S、H2O分別作為Zn、S、O的前軀體源，採用原子層沉積方法在加熱的襯底上交替沉積ZnO薄膜和ZnS薄膜多次，製備得到Zn(O,S)緩衝層。
本發明中，所述沉積ZnO薄膜是指向原子層沉積設備的反應腔室導入二乙基鋅後，用高純氮氣吹掃反應腔室，再導入水蒸氣，沉積得到單層ZnO，再用高純氮氣吹掃反應腔室。
其中，所述二乙基鋅、高純氮氣和水蒸氣、高純氮氣在反應腔室內的暴露時間依次為0.1～1s、3～10s和0.1～1s、3～10s。
本發明中，所述沉積ZnS薄膜是指向原子層沉積設備的反應腔導入二乙基鋅後，用高純氮氣吹掃反應腔室，再導入H2S，沉積得到單層ZnS，再用高純氮氣吹掃反應腔室。
其中，所述二乙基鋅、高純氮氣和H2S、高純氮氣在反應腔室內的暴露時間依次為0.1～1s、3～10s和0.1～1s、3～10s。
進一步的，本發明所述交替沉積ZnO薄膜和ZnS薄膜多次是指交替沉積ZnO薄膜和ZnS薄膜各100～500次。
進一步的，本發明所述反應腔室內的壓強為0.3～0.6Pa。
進一步的，本發明所述襯底的加熱溫度為100～150℃。
進一步的，本發明所述二乙基鋅、高純氮氣、H2S和水蒸氣的氣體流量為100～300sccm。
根據本發明所述方法製備得到一種厚度在30～80nm的銅銦鎵硒太陽電池Zn(O,S)薄膜緩衝層。
本發明具有的優點和積極效果：
(1)本發明採用原子層沉積技術製備Zn(O,S)薄膜的銅銦鎵硒薄膜太陽電池緩衝層，可以與其他各層幹法製備工藝相匹配，成膜緻密均勻，有利於內應力的釋放，製備過程中對吸收層無破壞影響。
(2)本發明採用原子層沉積技術製備Zn(O,S)薄膜的銅銦鎵硒薄膜太陽電池緩衝層，通過調節ZnS和ZnO的生長順序及生長厚度，可以實現不同組分的Zn(O,S)薄膜的銅銦鎵硒薄膜太陽電池緩衝層，工藝簡單易行，節約生產成本及空間。
附圖說明
圖1是本發明銅銦鎵硒薄膜太陽電池結構示意圖。
圖中：
1、上電極 2、窗口層 3、緩衝層
4、吸收層 5、底電極 6、襯底
具體實施方式
為能進一步說明本發明提供的一種銅銦鎵硒薄膜太陽電池緩衝層的製備方法，結合附圖對具體技術方案詳述如下：如附圖1所示，銅銦鎵硒薄膜太陽電池，包括襯底6、底電極5、吸收層4、緩衝層3、窗口層2和上電極1，其襯底6的材料可以為玻璃，不鏽鋼箔，鈦箔，聚醯亞胺等，在原子層沉積設備的反應腔室內放入鍍有的Mo底電極5和CIGS吸收層4的襯底6後，將反應腔室內抽真空至0.3～0.6Pa，加熱襯底至100～150℃，以二乙基鋅、H2S、H2O分別作為Zn、S、O的前軀體源，採用原子層沉積方法在加熱的襯底上交替沉積ZnO薄膜和ZnS薄膜各100～500次。一次ZnO薄膜沉積是指向原子層沉積設備的反應腔室利用高純氮氣作為載送氣體導入二乙基鋅0.1～1s後，用高純氮氣吹掃反應腔室3～10s，再導入水蒸氣0.1～1s，沉積得到單層ZnO，再用高純氮氣吹掃反應腔室3～10s。一次ZnS薄膜沉積是指向原子層沉積設備的反應腔室導入二乙基鋅0.1～1s後，用高純氮氣吹掃反應腔室3～10s，再導入H2S0.1～1s，沉積得到單層ZnS，再用高純氮氣吹掃反應腔室3～10s。二乙基鋅、高純氮氣、H2S和水蒸氣的氣體流量為100～300sccm。
最終，根據本發明的方法製備得到一種厚度在30～80nm的銅銦鎵硒太陽電池Zn(O,S)薄膜緩衝層3。
以下結合具體的實施例對本發明技術方案作進一步的說明，但本發明技術方案不局限於以下所列舉的具體實施例，還包括各具體實施例間的任意組合。
【實施例1】
採用玻璃作為銅銦鎵硒薄膜太陽電池襯底6，在原子層沉積設備的反應腔室內放入鍍有的Mo底電極5和CIGS吸收層4的襯底6後，將反應腔室內抽真空至0.5Pa，加熱襯底至130℃，以二乙基鋅、H2S、H2O分別作為Zn、S、O的前軀體源，採用原子層沉積方法在加熱的襯底上交替沉積ZnO薄膜和ZnS薄膜各300次。一次ZnO薄膜沉積是指向原子層沉積設備的反應腔室利用高純氮氣作為載送氣體導入二乙基鋅0.7s後，用高純氮氣吹掃反應腔室3s，再導入水蒸氣0.3s，沉積得到單層ZnO，再用高純氮氣吹掃反應腔室3s。一次ZnS薄膜沉積是指向原子層沉積設備的反應腔室導入二乙基鋅0.7s後，用高純氮氣吹掃反應腔室3s，再導入H2S 0.5s，沉積得到單層ZnS，再用高純氮氣吹掃反應腔室3s。二乙基鋅、高純氮氣、H2S和水蒸氣的氣體流量為200sccm。最終，製備得到40nm厚度的Zn(O,S)薄膜作為銅銦鎵硒太陽電池緩衝層3。
【實施例2】
採用玻璃作為銅銦鎵硒薄膜太陽電池襯底6，在原子層沉積設備的反應腔室內放入鍍有的Mo底電極5和CIGS吸收層4的襯底6後，將反應腔室內抽真空至0.3Pa，加熱襯底至150℃，以二乙基鋅、H2S、H2O分別作為Zn、S、O的前軀體源，採用原子層沉積方法在加熱的襯底上交替沉積ZnO薄膜和ZnS薄膜各500次。一次ZnO薄膜沉積是指向原子層沉積設備的反應腔室利用高純氮氣作為載送氣體導入二乙基鋅1s後，用高純氮氣吹掃反應腔室10s，再導入水蒸氣0.7s，沉積得到單層ZnO，再用高純氮氣吹掃反應腔室10s。一次ZnS薄膜沉積是指向原子層沉積設備的反應腔室導入二乙基鋅1s後，用高純氮氣吹掃反應腔室10s，再導入H2S 0.6s，沉積得到單層ZnS，再用高純氮氣吹掃反應腔室10s。二乙基鋅、高純氮氣、H2S和水蒸氣的氣體流量為300sccm。最終，製備得到80nm厚度的Zn(O,S)薄膜作為銅銦鎵硒太陽電池緩衝層3。
【實施例3】
採用玻璃作為銅銦鎵硒薄膜太陽電池襯底6，在原子層沉積設備的反應腔室內放入鍍有的Mo底電極5和CIGS吸收層4的襯底6後，將反應腔室內抽真空至0.4Pa，加熱襯底至120℃，以二乙基鋅、H2S、H2O分別作為Zn、S、O的前軀體源，採用原子層沉積方法在加熱的襯底上交替沉積ZnO薄膜和ZnS薄膜各400次。一次ZnO薄膜沉積是指向原子層沉積設備的反應腔室利用高純氮氣作為載送氣體導入二乙基鋅0.5s後，用高純氮氣吹掃反應腔室6s，再導入水蒸氣1s，沉積得到單層ZnO，再用高純氮氣吹掃反應腔室6s。一次ZnS薄膜沉積是指向原子層沉積設備的反應腔室導入二乙基鋅0.5s後，用高純氮氣吹掃反應腔室6s，再導入H2S 1s，沉積得到單層ZnS，再用高純氮氣吹掃反應腔室6s。二乙基鋅、高純氮氣、H2S和水蒸氣的氣體流量為250sccm。最終，製備得到60nm厚度的Zn(O,S)薄膜作為銅銦鎵硒太陽電池緩衝層3。
【實施例4】
採用玻璃作為銅銦鎵硒薄膜太陽電池襯底6，在原子層沉積設備的反應腔室內放入鍍有的Mo底電極5和CIGS吸收層4的襯底6後，將反應腔室內抽真空至0.6Pa，加熱襯底至100℃，以二乙基鋅、H2S、H2O分別作為Zn、S、O的前軀體源，採用原子層沉積方法在加熱的襯底上交替沉積ZnO薄膜和ZnS薄膜各100次。一次ZnO薄膜沉積是指向原子層沉積設備的反應腔室利用高純氮氣作為載送氣體導入二乙基鋅0.1s後，用高純氮氣吹掃反應腔室5s，再導入水蒸氣0.1s，沉積得到單層ZnO，再用高純氮氣吹掃反應腔室5s。一次ZnS薄膜沉積是指向原子層沉積設備的反應腔室導入二乙基鋅0.1s後，用高純氮氣吹掃反應腔室5s，再導入H2S 0.1s，沉積得到單層ZnS，再用高純氮氣吹掃反應腔室5s。二乙基鋅、高純氮氣、H2S和水蒸氣的氣體流量為100sccm。最終，製備得到30nm厚度的Zn(O,S)薄膜作為銅銦鎵硒太陽電池緩衝層3。