[发明专利]无镉铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件及其硫化锌缓冲层薄膜的制备方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及一种无镉铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件及其硫化锌缓冲层的制备方法。

【背景技术】

铜铟镓硒(Cu(In，Ga)Se₂，简称CIGS)薄膜太阳能电池组件是20世纪80年代后期开发出来的新型太阳能电池组件，其优异的性能得到了广泛的关注。铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件的典型结构为多层膜结构，包括：金属栅极(Al)/透明电极(AZO)/窗口层(ZnO)/缓冲层(CdS)/光吸收层(CIGS)/背电极(Mo)/玻璃。

尽管缓冲层的厚度仅仅只有50nm，但是对于CIGS电池来说是至关重要的。缓冲层能够与CIGS吸收层形成异质结从而使光生载流子分离以及保护吸收层在镀制上层电极时不被破坏。

在CIGS电池中缓冲层一般采用硫化镉(分子式CdS)材料，CdS薄膜通常采用水浴法(CBD，chemical bath deposition)来制备。水浴法是一种常见的制备薄膜的工艺，把衬底沉浸在阳离子和阴离子先驱溶液中，当溶液中离子浓度的乘积超过它们的溶度积时，便会在衬底上沉积制得需要的化合物薄膜。

虽然采用CdS作缓冲层获得了性能较好的电池，但是由于含有重金属离子Cd²⁺，这种生产方式所获得的薄膜电池在使用过程中可能因为自然力及其他因素，往往会使镉泄漏到环境中去，破坏了生态环境，同时由于镉的存在，这种电池的回收后处理也比较困难。因此人们一直致力于无镉缓冲层的开发，近几年很多文献报导了多种无毒的缓冲层，例如，硫化铟In₂S₃，氢氧化铟In(OH)₃，氧化锡SnO₂，硒化锌ZnSe，锌化物Zn(O，S，OH)_x，铟化物Inx(OH，S)_y等。

ZnS取代CdS作为太阳能电池组件缓冲层的研究，是所有无Cd缓冲层中电池效率最高的一种。这是因为ZnS的禁带宽度(3.6-3.8eV)比CdS(2.4eV)的宽，不仅可以提高电池的短路电流，还有利于薄膜电池获得蓝光区的光谱响应，而且其晶格参数与CIGS吸收层更加匹配。

在CIGS太阳能电池组件的制备中，获得ZnS薄膜的方法很重要，目前作为太阳能电池组件的ZnS缓冲层的制备大多采用CBD法，这种方法存在以下问题：1)薄膜沉积时存在均相沉淀现象，得到的薄膜非ZnS纯相，其中还混入了Zn(OH)₂。这种具有杂质的ZnS薄膜附着力差，易开裂；2)在ZnS薄膜的制备过程中，如果溶液温度浓度的分布不均以及搅拌速率的不稳定还会导致重现性不好，在大面积制备时薄膜均匀性更加难以控制。

【发明内容】

基于此，有必要提供一种成膜效果较好的无镉铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件的制备方法。

一种无镉铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、在衬底上依次形成背电极和铜铟镓硒光吸收层，形成样片；

步骤二、在所述样片表面溅镀氧化锌薄膜；

步骤三、将所述样片放入硒化室内在硫化氢的气氛下进行退火处理，将所述氧化锌薄膜转化为硫化锌缓冲层薄膜；及

步骤四、在所述硫化锌缓冲层薄膜上依次形成阻挡层及窗口层，得到所述无镉铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件。

在优选的实施例中，步骤二中，溅镀所用的靶材为纯度为99.99％的氧化锌，靶材的长和宽分别为250mm和100mm，靶材到衬底的距离为75mm。

在优选的实施例中，步骤二中，溅镀所用的磁控溅射腔体内通入有Ar和O₂。

在优选的实施例中，所述Ar和O₂的流量比为10∶1。

在优选的实施例中，步骤二中，溅镀时间为10～15分钟。

在优选的实施例中，步骤三中，退火处理的温度为400～500℃，时间为10～60分钟。

此外，还有必要提供一种成膜效果较好的硫化锌缓冲层薄膜的制备方法。

在样片表面溅镀氧化锌薄膜；及

将所述样片在硫化氢的气氛下进行退火处理，将所述氧化锌薄膜转化为硫化锌缓冲层薄膜。

传统CBD法制备的ZnS薄膜由于水浴温度较低，一般得到的是非晶的薄膜，而采用上述制备方法，在退火过程中由于温度较高，因此能够提高薄膜的结晶质量。另外，采取磁控溅镀法制备的薄膜均匀性较好，工艺较为容易控制。

【具体实施方式】