一種製備用於太陽能電池窗口層的CdS薄膜的方法
2023-07-26 20:27:26 2
專利名稱：一種製備用於太陽能電池窗口層的CdS薄膜的方法
技術領域：
本發明涉及薄膜太陽能電池製備技術領域，具體涉及到一種製備用於太陽能電池 窗口層的CdS薄膜的方法，特別是用於CdS/CdTe和CdS/CIGS結構太陽電池。
背景技術：
近年來，國際能源短缺和環境汙染的日趨嚴峻為各種新能源技術帶來巨大機遇。 太陽能電池以其取之不盡和零汙染的特性在各類新能源技術中脫穎而出，並且有了飛速的 發展。目前來講，薄膜太陽能電池已經成為了發展趨勢的主流。在薄膜太陽能電池中，CdTe 薄膜電池的理論轉換率高達28%，而且製作成本較低，從而吸引了業界的廣泛關注。
目前，產業化生產的太陽能電池實際轉換效率受窗口層材料-一CdS薄膜的質量 影響很大。CdS是一種重要的半導體材料，禁帶寬度約為2. 42eV，由於其能允許絕大部分的 可見光透過而被廣泛用作薄膜太陽能電池的窗口材料。所以，CdS薄膜質量的好壞對太陽 能電池的性能及轉換效率影響巨大，其結晶狀態、表面形貌和厚度都是要考慮的重要因素。
當前，人們已經發展了一些CdS薄膜的製備方法，如化學水浴沉積法，這種工藝 所生長的薄膜不夠結實，很容易在外界環境的影響下脫落。另外一種方法如近空間升華 法，但是這種方法生長的薄膜不夠均勻，影響光透過性。而且，當襯底溫度低於或高於一定 值的時候，CdS薄膜無法沉積，受沉底影響很大。針對這些實際問題，急需找到一種成膜結 實而且均勻，生長速度快、結晶狀態良好，又不受襯底影響的方法。 磁控濺射方法是一種具有沉積速率高、薄膜與基片附著性能好的材料生長方法， 而且所生長的薄膜緻密度高、成分容易控制。用該方法來生長CdS薄膜的時候，要注意基片 溫度，耙材性能，濺射功率，生長氣氛及氣壓，以及生長時間。在對這些參數進行摸索之後， 得到了最優參數。 本發明將利用磁控濺射設備製備CdS薄膜，該薄膜光透過性好，成膜結實和結晶 狀態好。
發明內容
( — )要解決的技術問題 本發明的目的在於提供一種製備用於太陽能電池窗口層的CdS薄膜的方法，即在 太陽能電池的不同結構下所用的透明電極上濺射CdS薄膜。製備薄膜太陽能電池需要用到 透明電極，先在伏法玻璃上沉積一層500nm左右的透明電極，再在該透明電極層上生長CdS 薄膜。利用不同的方法在透明電池材料在沉積CdS薄膜會有不同的效果，這是因為透明電 極層和CdS窗口層都非常薄，互擴散作用不可避免。如果擴散的區域很深的話即影響透明 電極層作為導電電極的性能，又使得CdS窗口層的透過率和結晶狀態變差。利用磁控濺射， 只需要很低的溫度便可以實現材料的生長，極大地降低了溫度對擴散作用的影響；而且濺 射方法的生長速率快，減少了生長時間，而且成膜結實效果好。簡化了整個器件的製備過 程。
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( 二 )技術方案 為達到上述目的，本發明提供了一種製備用於太陽能電池窗口層的CdS薄膜的方 法，包括以下步驟 步驟1 :利用超聲波儀器和化學洗劑將浮法玻璃表面清洗乾淨，並利用氫氟酸刻 蝕法去除其表面的氧化層； 步驟2 :將清洗乾淨的浮法玻璃放入沉積設備中，沉積透明電極層；
步驟3 :將沉積了透明電極層的基片用化學試劑超聲清洗； 步驟4 :將清洗乾淨的基片放入生長設備中，生長CdS薄膜，完成太陽能電池CdS 窗口層的製備。
上述方案中，步驟1中所述化學洗劑包括丙酮、乙醇和三氯乙烯。 上述方案中，步驟2中所述透明電極層包括IT0和Sn(^:F。 上述方案中，步驟2中所述透明電極層的厚度為400至500nm。 上述方案中，步驟2中所述沉積透明電極的設備包括磁控濺射和化學氣相沉積設備。 上述方案中，步驟4中所述生長CdS薄膜的設備為磁控濺射設備。 上述方案中，所述採用磁控濺射設備生長CdS薄膜時，是用陶瓷CdS靶材為源材
料，Ar作為載氣進行的。 上述方案中，步驟4中所述CdS薄膜生長溫度為200至400°C，厚度為300至 500nm。(三)有益效果 本發明提供了一種高效的用於太陽能電池窗口層的CdS薄膜材料製備方法，即現 在浮法玻璃基片上沉積一層400-500nm的透明電極層，再在該透明電極上生長CdS薄膜。主 要優點有 1、所沉積的透明電極即可以充當太陽能電池的電極，又不影響太陽光的透過率和 器件對光的吸收問題，並且和玻璃基片黏附性強，不易脫落。 2、所沉積的CdS薄膜與透明電極之間不存在嚴重的晶格失配和熱失配問題，提高 了器件的性能。 3、所沉積的CdS薄膜雖然未多晶狀態，但不影響光吸收和光透過性能，而且附著 力強，沉積速率快，可以利用該CdS薄膜製備大面積、低成本的太陽電池及其他光學器件。
4、用該濺射方法製備CdS薄膜過程中，生長溫度低，極大的降低了 CdS薄膜層和透 明電極層互擴散作用，使CdS薄膜中雜質濃度降低，增強了 CdS薄膜的質量。而且濺射過程 中不影響透明電極層的厚度和結晶質量等性能。
為進一步說明本發明的具體技術內容，以下結合實施例及附圖詳細說明乳後，其 中 圖1為本發明提供的製備用於太陽能電池窗口層的CdS薄膜的方法流程圖；
圖2為本發明中所生長的薄膜結構示意圖； 圖3為本發明實施例中在ITO透明電極上沉積的CdS薄膜的X射線衍射譜；
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圖4為本發明實施例中在IT0透明電極上沉積的CdS薄膜採用紫外可見分光光度 計測試的光吸收譜。
具體實施例方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照 附圖，對本發明進一步詳細說明。 請參考圖1所示，圖1為本發明提供的製備用於太陽能電池窗口層的CdS薄膜的 方法流程圖，該方法包括以下步驟 步驟1 :利用超聲波儀器和化學洗劑將浮法玻璃表面清洗乾淨，並利用酸法刻蝕
去除其表面的氧化層。其中所述的化學洗劑包括丙酮、乙醇和三氯乙烯； 步驟2 :將清洗乾淨的浮法玻璃放入沉積設備中，沉積一層透明電極層；其中所述
的透明電極層包括ITO和Sn02:F，其中所述的透明電極層的厚度為400至500nm，其中所述
的沉積透明電極的設備包括磁控濺射合化學氣相沉積設備。
步驟3 :將沉積了透明電極層的基片用化學試劑超聲清洗； 步驟4 :將清洗乾淨的基片放入生長設備中，生長CdS薄膜，完成太陽能電池CdS 窗口層的製備。其中所述的生長CdS薄膜的設備為磁控濺射設備，採用磁控濺射設備生長 CdS薄膜時，是用陶瓷CdS靶材為源材料，Ar作為載氣進行的，所述的CdS薄膜生長溫度為 200至400°C ，厚度為300至500nm。
實施例一 在玻璃基片上沉積透明電極ITO後再生長CdS薄膜的具體步驟如下(結合參閱圖 2): 將玻璃基片浸泡於化學洗劑後，用超聲波清洗儀器將基片表面清洗乾淨，並利用 硝酸、硫酸、雙氧水和鹽酸去除表面的無機物和氧化物； 將處理乾淨的玻璃基片緩緩放入磁控濺射設備的基片臺上並固定好，生長一層
500nm的ITO透明電極層。濺射時基片溫度為30(TC，氣壓為3X 10—3Pa ; 將沉積好ITO的基片用化學洗劑超聲清洗乾淨後，緩緩放入濺射設備基片臺上，
固定穩定之後進行CdS薄膜的生長。生長作用的磁控濺射設備包括射頻電源，反應腔體，可
旋轉的基片臺，放置源材料的靶臺，真空和製冷系統，以及一系列氣路等； CdS薄膜的生長源材料為陶瓷CdS靶材，生長薄膜時載氣為Ar。生長過程中，先將
通入Ar氣IO分鐘，起到清洗腔體的作用。另外，在濺射時，先將基片用擋板遮擋，預濺射5
至IO分鐘，清洗靶材表面。整個過程中，由射頻電源激發的等離子體在磁場的控制下將CdS
靶材中的CdS激發出靶材，然後以高速向基片沉積。 在生長CdS薄膜時，基片溫度控制在200°C ，氣壓為3 X 10—3Pa，生長厚度為500nm。
在該實施例中，我們對玻璃基片上沉積透明電極ITO後再生長的CdS薄膜進行了 測試分析，包括X射線衍射儀、紫外可見分光光度計和室溫光致發光(PL)譜分析。其中，CdS 薄膜的X射線衍射譜如圖3所示，在圖中可以看到，所生長的CdS薄膜為雖然多晶，但主要 晶向仍是沿c軸，呈現(002)擇優取向生長，說明該CdS薄膜結晶質量良好。圖4為紫外可 見分光光度計所測試的光吸收譜，由該圖可以看出，CdS薄膜對可見光的吸收很微小，可以 透過80%以上可見光波段，這對太陽電池的轉換效率非常有益。
實施例二 在玻璃基片上沉積透明電極Sn02:F後再生長CdS薄膜的具體步驟如下(結合參 閱圖2): 將玻璃基片浸泡於化學洗劑後，用超聲波清洗儀器將基片表面清洗乾淨，並利用 硝酸、硫酸、雙氧水和鹽酸去除表面的無機物和氧化物； 將處理乾淨的玻璃基片緩緩放入CVD設備中上並固定好，生長一層500nm的 Sn(^:F透明電極層。 將沉積好Sn02:F的基片用化學洗劑超聲清洗乾淨後，緩緩放入濺射設備基片臺 上，固定穩定之後進行CdS薄膜的生長。生長作用的磁控濺射設備包括射頻電源，反應腔 體，可旋轉的基片臺，放置源材料的靶臺，真空和製冷系統，以及一系列氣路等；
CdS薄膜的生長源材料為陶瓷CdS靶材，生長薄膜時載氣為Ar。生長過程中，先將 通入Ar氣IO分鐘，起到清洗腔體的作用。另外，在濺射時，先將基片用擋板遮擋，預濺射5 至IO分鐘，清洗靶材表面。整個過程中，由射頻電源激發的等離子體在磁場的控制下將CdS 靶材中的CdS激發出靶材，然後以高速向基片沉積。 在生長CdS薄膜時，基片溫度控制在200°C ，氣壓為3 X 10—3Pa，生長厚度為500nm。
在該實施例中，我們對玻璃基片上沉積透明電極ITO後再生長的CdS薄膜進行了 測試分析，包括X射線衍射儀、紫外可見分光光度計和室溫光致發光(PL)譜分析。其中，CdS 薄膜的X射線衍射譜如圖3所示，在圖中可以看到，所生長的CdS薄膜為雖然多晶，但主要 晶向仍是沿c軸，呈現(002)擇優取向生長，說明該CdS薄膜結晶質量良好。圖4為紫外可 見分光光度計所測試的光吸收譜，由該圖可以看出，CdS薄膜對可見光的吸收很微小，可以 透過80%以上可見光波段，這對太陽電池的轉換效率非常有益。
實施例三 在玻璃基片上沉積透明電極ITO後再生長CdS薄膜的具體步驟如下(結合參閱圖 2): 將玻璃基片浸泡於化學洗劑後，用超聲波清洗儀器將基片表面清洗乾淨，並利用 硝酸、硫酸、雙氧水和鹽酸去除表面的無機物和氧化物； 將處理乾淨的玻璃基片緩緩放入磁控濺射設備的基片臺上並固定好，生長一層
400nm的ITO透明電極層。濺射時基片溫度為40(TC，氣壓為3X 10—3Pa ; 將沉積好ITO的基片用化學洗劑超聲清洗乾淨後，緩緩放入濺射設備基片臺上，
固定穩定之後進行CdS薄膜的生長。生長作用的磁控濺射設備包括射頻電源，反應腔體，可
旋轉的基片臺，放置源材料的靶臺，真空和製冷系統，以及一系列氣路等； CdS薄膜的生長源材料為陶瓷CdS靶材，生長薄膜時載氣為Ar。生長過程中，先將
通入Ar氣IO分鐘，起到清洗腔體的作用。另外，在濺射時，先將基片用擋板遮擋，預濺射5
至IO分鐘，清洗靶材表面。整個過程中，由射頻電源激發的等離子體在磁場的控制下將CdS
靶材中的CdS激發出靶材，然後以高速向基片沉積。在生長CdS薄膜時，基片溫度控制在
200。C，氣壓為3Xl(r卞a，生長厚度為300nm。 實施例四 在玻璃基片上沉積透明電極ITO後再生長CdS薄膜的具體步驟如下(結合參閱圖 2):
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將玻璃基片浸泡於化學洗劑後，用超聲波清洗儀器將基片表面清洗乾淨，並利用 硝酸、硫酸、雙氧水和鹽酸去除表面的無機物和氧化物； 將處理乾淨的玻璃基片緩緩放入磁控濺射設備的基片臺上並固定好，生長一層
500nm的IT0透明電極層。濺射時基片溫度為20(TC，氣壓為3X 10—3Pa ; 將沉積好ITO的基片用化學洗劑超聲清洗乾淨後，緩緩放入濺射設備基片臺上，
固定穩定之後進行CdS薄膜的生長。生長作用的磁控濺射設備包括射頻電源，反應腔體，可
旋轉的基片臺，放置源材料的靶臺，真空和製冷系統，以及一系列氣路等； CdS薄膜的生長源材料為陶瓷CdS靶材，生長薄膜時載氣為Ar。生長過程中，先將
通入Ar氣IO分鐘，起到清洗腔體的作用。另外，在濺射時，先將基片用擋板遮擋，預濺射5
至IO分鐘，清洗靶材表面。整個過程中，由射頻電源激發的等離子體在磁場的控制下將CdS
靶材中的CdS激發出靶材，然後以高速向基片沉積。在生長CdS薄膜時，基片溫度控制在
200。C，氣壓為3Xl(r卞a，生長厚度為400nm。 以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡 在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保 護範圍之內。
權利要求
一種製備用於太陽能電池窗口層的CdS薄膜的方法，其特徵在於，包括以下步驟步驟1利用超聲波儀器和化學洗劑將浮法玻璃表面清洗乾淨，並利用氫氟酸刻蝕法去除其表面的氧化層；步驟2將清洗乾淨的浮法玻璃放入沉積設備中，沉積透明電極層；步驟3將沉積了透明電極層的基片用化學試劑超聲清洗；步驟4將清洗乾淨的基片放入生長設備中，生長CdS薄膜，完成太陽能電池CdS窗口層的製備。
2. 根據權利要求l所述的製備用於太陽能電池窗口層的CdS薄膜的方法，其特徵在於， 步驟1中所述化學洗劑包括丙酮、乙醇和三氯乙烯。
3. 根據權利要求l所述的製備用於太陽能電池窗口層的CdS薄膜的方法，其特徵在於， 步驟2中所述透明電極層包括IT0和Sn02:F。
4. 根據權利要求l所述的製備用於太陽能電池窗口層的CdS薄膜的方法，其特徵在於， 步驟2中所述透明電極層的厚度為400至500nm。
5. 根據權利要求l所述的製備用於太陽能電池窗口層的CdS薄膜的方法，其特徵在於， 步驟2中所述沉積透明電極的設備包括磁控濺射和化學氣相沉積設備。
6. 根據權利要求l所述的製備用於太陽能電池窗口層的CdS薄膜的方法，其特徵在於， 步驟4中所述生長CdS薄膜的設備為磁控濺射設備。
7.根據權利要求6所述的製備用於太陽能電池窗口層的CdS薄膜的方法，其特徵在於， 所述採用磁控濺射設備生長CdS薄膜時，是用陶瓷CdS靶材為源材料，Ar作為載氣進行的。
8. 根據權利要求l所述的製備用於太陽能電池窗口層的CdS薄膜的方法，其特徵在於， 步驟4中所述CdS薄膜生長溫度為200至400°C ，厚度為300至500nm。
全文摘要
本發明薄膜太陽能電池製備技術領域，公開了一種製備用於太陽能電池窗口層的CdS薄膜的方法，包括以下步驟步驟1利用超聲波儀器和化學洗劑將浮法玻璃表面清洗乾淨，並利用氫氟酸刻蝕法去除其表面的氧化層；步驟2將清洗乾淨的浮法玻璃放入沉積設備中，沉積透明電極層；步驟3將沉積了透明電極層的基片用化學試劑超聲清洗；步驟4將清洗乾淨的基片放入生長設備中，生長CdS薄膜，完成太陽能電池CdS窗口層的製備。利用本發明，提高了器件的性能，可以利用該CdS薄膜製備大面積、低成本的太陽電池及其他光學器件，使CdS薄膜中雜質濃度降低，增強了CdS薄膜的質量。
文檔編號H01L31/18GK101740665SQ20091024169
公開日2010年6月16日 申請日期2009年12月2日 優先權日2009年12月2日
發明者朱峰, 李京波 申請人:中國科學院半導體研究所