一种有效阻挡铁扩散的不锈钢柔性衬底铜铟镓硒薄膜太阳能电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种有效阻挡铁扩散的不锈钢柔性衬底铜铟镓硒薄膜太阳能电池及其制备方法。该方法制备步骤为：在不锈钢柔性衬底上依次制备阻挡层、背电极、吸收层、缓冲层、本征氧化锌层、掺铝氧化锌层和上电极。在柔性衬底上溅射、沉积制得所述阻挡层。所述吸收层的制备：依次电沉积铜层、铟层和镓层得到铜铟镓金属预制层，在真空环境中进行退火热处理，得铜铟镓合金预制层；再在Ar和Se蒸汽氛围中进行硒化反应，得到不锈钢柔性衬底铜铟镓硒薄膜太阳能电池吸收层。本发明专利技术方法能有效阻挡不锈钢衬底中有害元素铁的扩散，制得的不锈钢柔性衬底铜铟镓硒薄膜太阳能电池结构简单，开路电压、填充因子和转换效率大大提高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及铜铟镓硒薄膜太阳能电池
，尤其涉及一种有效阻挡铁扩散的不锈钢柔性衬底铜铟镓硒薄膜太阳能电池及其制备方法。
技术介绍
在所有的太阳能电池中，铜铟镓硒(Cu(In,Ga)Se2，CIGS)薄膜太阳能电池被认为是最具有发展前景的太阳能电池，CIGS薄膜太阳能电池吸光率高、带隙可调、光电转换效率高、稳定好以及抗辐射性能强。目前CIGS薄膜太阳能电池的最高转换效率可达22.6%。铜铟镓硒薄膜太阳能电池可分为刚性和柔性衬底电池两类。刚性和柔性衬底电池中，以不锈钢柔性衬底为代表的铟镓硒薄膜太阳能电池以重量轻、可卷曲、易携带、高质量比功率等优点，特别是与卷对卷工艺相结合，可实现大规模生产，并显著降低生产成本的特点，得到了人们广泛的研究与关注。目前，不锈钢柔性衬底铜铟镓硒薄膜太阳能电池中的CIGS吸收层的制备温度普遍较高，通常在450～600℃。但是在该温度范围，不锈钢衬底中的有害元素如铁元素等会从不锈钢衬底透过钼背电极扩散到CIGS吸收层中，铁等有害元素的扩散大大地降低了电池的开路电压和填充因子，进而弱化电池效率。因此，必须对不锈钢衬底中的有害元素进行有效的抑制和阻挡，进而制备出高转换效率的不锈钢柔性衬底铜铟镓硒薄膜太阳能电池。
技术实现思路
本专利技术针对当前不锈钢柔性衬底铜铟镓硒薄膜太阳能电池中铜铟镓硒吸收层制备过程中有害元素铁的扩散而导致电池开路电压、填充因子和转换效率降低的问题，提供一种有效阻挡铁扩散的不锈钢柔性衬底铜铟镓硒薄膜太阳能电池的制备方法。该方法引入了阻挡层技术，以不锈钢柔性衬底为基底，通过在不锈钢衬底上溅射一层阻挡层结构，增设氮化钼阻挡层，降低不锈钢衬底表面粗糙度，有利于后续膜层制备的同时，也能有效阻挡不锈钢衬底中有害元素铁的扩散，提高了电池的开路电压和填充因子，进而提高不锈钢衬底铜铟镓硒薄膜太阳能电池的转换效率。通过增设一层阻挡层，在提高电池转换效率的同时，也使得电池结构相对简单。一种有效阻挡铁扩散的不锈钢柔性衬底铜铟镓硒薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：在不锈钢柔性衬底上依次制备阻挡层、背电极、吸收层、缓冲层、本征氧化锌层、掺铝氧化锌层和上电极，得到所述效阻挡铁扩散的不锈钢柔性衬底铜铟镓硒薄膜太阳能电池。进一步地，所阻挡层的制备步骤为：利用溅射方法，在N2和Ar混合气体氛围中，在不锈钢柔性衬底上沉积形成阻挡层。更进一步地，所述溅射方法为射频反应磁控溅射，溅射气压为0.3～1 Pa，溅射功率密度为4.75～4.85 W /cm2。更进一步地，所述N2和Ar混合气体的体积比为N2：Ar=1∶10～1：2，所述沉积的时间为50～90min。更进一步地，所述阻挡层为氮化钼材料，氮与钼的原子摩尔比N/Mo=0.34～0.60，阻挡层厚度为300～600 nm。更进一步地，所述不锈钢柔性衬底的厚度为40～70μm。进一步地，所述吸收层的制备步骤为：（1）在沉积有阻挡层和钼背电极的不锈钢柔性衬底上依次电沉积铜层、铟层和镓层得到铜铟镓金属预制层；（2）将得到的铜铟镓金属预制层在真空环境中进行退火热处理，获得铜铟镓合金预制层；（3）将制得的铜铟镓合金预制层在Ar和Se蒸汽氛围中进行硒化反应，制备得到不锈钢柔性衬底铜铟镓硒薄膜太阳能电池吸收层。更进一步地，步骤（1）中所述铜层的制备方法为脉冲直流电沉积，频率为2000～2500Hz，占空比为45～55%，电流密度为60～65mA/cm2，时间为7～9s。更进一步地，步骤（1）中所述铟层的制备方法为脉冲直流电沉积，频率为2000～2500Hz，占空比为5～15%，电流密度为5～10mA/cm2，时间为120～144s。更进一步地，步骤（1）中所述镓层的制备方法为直流电沉积，电流密度为175～200mA/cm2，时间为18～20s。更进一步地，步骤（2）中所述退火热处理的温度为250～350℃，退火热处理的时间为30～50min。更进一步地，步骤（3）中所述硒蒸汽由安全无毒的硒颗粒加热蒸发的方法提供，硒源温度为230～250℃。更进一步地，步骤（3）中所述硒化反应的温度为500～550℃，硒化反应的时间为30～50min。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和技术效果：（1）增设阻挡层结构：采用射频反应磁控溅射法制备氮化钼阻挡层，可精确控制阻挡层中氮与钼的原子摩尔比N/Mo在0.34～0.60连续可调，进而对不锈钢柔性衬底中有害元素铁的扩散起到不同的阻挡和抑制效果，进而提高电池的开路电压、填充因子和转换效率；（2）电池结构简单：只需在不锈钢柔性衬底铜铟镓硒薄膜太阳能电池中不锈钢衬底和钼背电极之间增设一层阻挡层，便可大大提高电池效率；（3）工艺简单、成本低和操作简单：采用分步电沉积法制备铜铟镓金属预制层后合金化、硒化的工艺制备CIGS吸收层，相比蒸发法和溅射法，不需要真空环境、工艺简单、电沉积设备成本低、操作简单、生产效率高；（4）安全无毒：采用硒颗粒加热蒸发的方法提供硒蒸汽氛围，避免了有毒气体H2Se的使用，安全无毒。附图说明图1为本专利技术的有效阻挡铁扩散的不锈钢柔性衬底铜铟镓硒薄膜太阳能电池的结构示意图。图2为本专利技术的无阻挡层的不锈钢柔性衬底铜铟镓硒薄膜太阳能电池的结构示意图。具体实施方式以下实施例仅用于进一步阐述本专利技术，而不限制本专利技术。实施例1（1）用半导体清洗剂对不锈钢柔性衬底表面进行清洗，然后依次用丙酮、无水乙醇和去离子水浸泡并超声清洗30min，拿出后再用去离子水冲洗，最后用氮气吹干；（2）将清洗好的不锈钢柔性衬底置于3×10-4Pa真空腔室中采用射频反应溅射方法沉积氮化钼（氮与钼的原子摩尔比N/Mo=0.6）阻挡层，溅射时，工作气压为0.3Pa，功率密度为4.75W/cm2，氮氩混合气体中体积比为N2:Ar=1:2，沉积时间为50min，厚度为300nm；（3）将沉积有氮化钼阻挡层的不锈钢柔性衬底，在3×10-4Pa真空环境中，采用溅射的方法溅射钼背电极，厚度为630nm；（4）在沉积有氮化钼阻挡层和钼背电极的不锈钢柔性衬底上，利用脉冲直流方法电沉积铜层，脉冲频率为2000Hz，占空比为45%，电流密度为60mA/cm2，时间为9s，所用溶液体系为含有CuSO4和H2SO4的混合溶液（混合溶液中CuSO4的浓度为0.75mol/L，H2SO4的浓度为0.765mol/L）；（5）在上述沉积有氮化钼阻挡层、钼背电极和铜层的不锈钢柔性衬底上，利用脉冲直流方法电沉积铟层，脉冲频率为2000Hz，占空比为15%，电流密度为10mA/cm2，时间为120s，所用溶液体系为含有InCl3的混合溶液（混合溶液中InCl3的浓度为0.106mol/L）；（6）将上述沉积有氮化钼阻挡层、钼背电极、铜层和铟层（铜层和铟层可合称为铜铟金属预制层）的不锈钢柔性衬底上，利用直流方法电沉积镓层，电流密度为175mA/cm2，时间为20s，所用溶液为含有GaCl3的混合溶液（混合溶液中GaCl3的浓度为0.106mol/L）；（7）将上述沉积有氮化钼阻挡层、钼背电极、铜层、铟层和镓层（铜层、铟层和镓层可合称为铜铟镓金属预制层）的不锈钢柔性衬底置于1×10-3Pa的真空环境中进行退火热处理，退火温度为250℃，时间为50本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种有效阻挡铁扩散的不锈钢柔性衬底铜铟镓硒薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：在不锈钢柔性衬底上依次制备阻挡层、背电极、吸收层、缓冲层、本征氧化锌层、掺铝氧化锌层和上电极，得到所述效阻挡铁扩散的不锈钢柔性衬底铜铟镓硒薄膜太阳能电池。

【技术特征摘要】
1.一种有效阻挡铁扩散的不锈钢柔性衬底铜铟镓硒薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：在不锈钢柔性衬底上依次制备阻挡层、背电极、吸收层、缓冲层、本征氧化锌层、掺铝氧化锌层和上电极，得到所述效阻挡铁扩散的不锈钢柔性衬底铜铟镓硒薄膜太阳能电池。2.根据权利要求1所述的一种有效阻挡铁扩散的不锈钢柔性衬底铜铟镓硒薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述阻挡层的制备步骤为：利用溅射方法，在N2和Ar混合气体氛围中，在不锈钢柔性衬底上沉积形成阻挡层。3.根据权利要求2所述的一种有效阻挡铁扩散的不锈钢柔性衬底铜铟镓硒薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述溅射方法为射频反应磁控溅射，溅射气压为0.3～1Pa，溅射功率密度为4.75～4.85W/cm2；所述N2和Ar混合气体中N2：Ar=1：10～1：2（V/V）；所述沉积的时间为50～90min。4.根据权利要求2所述的一种有效阻挡铁扩散的不锈钢柔性衬底铜铟镓硒薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述阻挡层成分为氮化钼，氮与钼的原子摩尔比N/Mo=0.34～0.60，阻挡层厚度为300～600 nm。5.根据权利要求1所述的一种有效阻挡铁扩散的不锈钢柔性衬底铜铟镓硒薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述吸收层的制备步骤为：（1）在沉积有阻挡层和钼背电极的不锈钢柔性衬底上依次电沉积铜层、铟层和镓层得到铜铟镓金属预制层；（2）将得到的铜铟镓金属预制层在真空环境中进行退火热处理，获得铜铟镓合金预制层；（3）将制...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤勇，张晓清，黄云翔，陆龙生，袁伟，万珍平，李宗涛，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44