本发明专利技术涉及一种硫族化物薄膜太阳能电池生产中的碱金属掺杂方法,用于解决现有硫族化物薄膜太阳能电池大规模生产时碱元素掺杂不均的问题。其制备流程包括以下几个步骤：采用公知技术真空磁控溅射方法在刚性或柔性衬底上溅射底电极薄膜，并在底电极上沉积金属或硫族化金属反应层，后在常温的环境中,把配制的含碱元素前驱体溶液利用常规工艺在金属反应层上沉积碱和硫族元素层，以低温烘烤,形成固态薄膜,再经高温退火处理使反应层完全转变为多晶的硫族化物半导体薄膜。最后镀上缓冲层、窗口层和上电极便制成硫族化物薄膜太阳能电池。本发明专利技术是一种简单、容易控制，并适合于工业化生产的碱金属掺杂方法。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于太阳能电池
，尤其涉及一种硫族化物薄膜太阳能电池生产中 的碱金属掺杂方法。
技术介绍
在能源危机日益严重的今天，可再生能源的研究和应用显得日益重要和紧迫。其 中太阳能电池为可再生能源产业中的重要一员，亦是公认最具发展潜力的技术，皆因它是 人类利用太阳能的最有效形式，具有丰富来源、分布广泛、和不受地域限制等独特优点。而 在太阳能电池的产业中，目前实现量产主要是硅系列太阳能电池，但这种硅基电池器件的 生产工艺都需要用到昂贵的设备和配套，成本很高，以至目前的太阳能发电的成本仍远远 高于石化能源发电成本。因此发展硫族化物薄膜太阳能电池便成为产业的新方向；硫族化 物薄膜电池以高效、高稳定性、具弱旋旋光性和抗辐射性等优点而得以青睐，其中以铜铟镓 硒（CIGS)为代表，转换效率达20%上，与传统晶硅电池相约。但至今硫族化物薄膜电池仍 未高度产业化，主要障碍在于其光吸收层的多元薄膜的制备工艺复杂，导致电池成品率低， 令总成本偏高。 硫族化物薄膜太阳能电池生产中的碱金属掺杂：是指在生产制备硫族化物吸光 层时漆加一定比例的碱金属以控制电池的开路电压和填充因子，从而提高电池的光电转 换效率，从而大幅度地降低太阳能电池的产电成本。碱金属掺杂效应在学术界先提出，经 十多年的研究和实践，已确认碱元素的掺杂是影响硫族化物电池性能的重要手段，以钠元 素（Na)为例子，适量的掺杂可以改进吸收层的形貌和P型填充因子浓度，可以有效提升太 阳电池的光电转化性能。 目前在硫族化物吸光层中掺杂碱金属的方法可以分为三大类：第一类是采用含 碱金属的玻璃（钠钙玻璃）作为薄膜太阳能电池沉积的基底。薄膜生长过程中，玻璃基底 中所含的碱元素从基底扩散至光吸收层，以改善硫族化物的晶格生长。采用这方法的主要 缺陷是难以保证在大面积生产时扩散入吸光层的元素数量和速率，从而影响薄膜的均匀性 和整体光电转换效率，大面积生产难以实施，而且这种方法仅适用于玻璃基底。第二类方 法是在钥背电极和硫族化物吸光层中间加镀一层碱金属或碱化合物薄膜层。这种方法相对 有能效控制碱元素扩散入光吸收层的数量和速率，均匀性有显着提高。但由于碱金属或碱 化合物薄膜层的插入，钥背电极和硫族化物吸光层之间的附着力明显降低，以至吸收层容 易脱落。第三类方法是在硫族化物沉积和硒化退火完成后，在吸光层上沉积碱金属或碱化 合物薄膜，然后进行热处理，以使碱元素渗入改善硫族化物吸光层的晶界特性。这种方法 亦能有效提高大面积薄膜的均匀性，但亦由于碱金属或碱化合物薄膜层的插入，使吸光层 与及后沉积的缓冲层效果变差，以至不能有效地提高硫族化物电池的光电转化效率。
技术实现思路
本专利技术为解决现有硫族化物薄膜太阳能电池大规模生产时碱元素掺杂不均的问 题，提供了一种简单、容易控制，并适合于工业化生产的碱金属掺杂方法。本专利技术为解决公 知技术中存在的技术问题所釆用的技术方案是：硫族化物薄膜太阳能电池，为多层膜结构， 包括衬底、底电极、吸收层、缓冲层、窗口层、和上电极。 ，其制备工艺流程包括以下几 个步骤： (1)含碱元素前驱体溶液的配制： 溶质为：高纯碱金属、碱化合物或硫族元素粉末（纯度>99. 99% ); 溶剂为：酮类、醇类、胺类等有机溶剂，也可以混合使用； 粘度调节剂与溶剂的质量比为1 :5?30 ; 所说的粘度调节剂为：纤维素或乙基纤维素； 将高纯碱金属、碱化合物先溶于溶剂，控制加入量使碱离子与吸收层中金属离子 比例为0. 01?5%。之后可按0. 01?5M的浓度加入硫族元素粉末，也可采用混合硫族元 素或混合溶剂，并添加粘度调节剂，室温充分搅拌>12小时，形成稳定的前驱体溶液。通过 添加或减少溶剂的用量，将溶液中硫族元素浓度控制在〇. 01?5M。 (2)衬底和底电极的制备； 衬底可以为无碱玻璃、刚性和柔性的金属材料或聚合膜； 底电极材料可以为钥、钛和透明导电氧化物等； 采用常规的高真空气相法工艺，如热蒸发、磁控溅射和分子束外延等在衬底上制 备底电极薄膜，薄膜厚度由器件要求而定。 (3)金属或硫族化金属反应基片的制备 金属可以是但不限于铜、锌、锡、铟、镓； 采用常规的高真空气相法工艺，如热蒸发、磁控溅射和分子束外延等在底电极薄 膜上沉积金属或硫族化金属反应层。反应层厚度为〇. 6-2um。 (4)含碱元素薄膜的制备 在常温的环境中，把配制的含碱元素前驱体溶液利用常规的成膜工艺，如喷雾沉 积、喷墨打印、模缝涂布、或刮涂法在金属反应层上沉积碱和硫族元素层，后以低温烘烤， 形成固态薄膜，薄膜厚度由器件要求而定。 (5)高温退火处理 将沉积有底电极、金属或硫族化金属、碱和硫族元素薄膜的基片置于可分段程 序控温的高温炉中，真空密封，然后快速、均匀的升温，使得基片所在区域温度控制在 200-1000°C，依据预制反应层的厚度，进行5-60min的处理，使碱元素扩散或渗透至反应 层，并完全转变为多晶的硫族化物半导体薄膜。 (6)缓冲层的制备； 缓冲层可以硫族化金属、金属可以是但不限于镉和锌。 采用化学浴沉积法制备在硫族化物薄膜半导体薄膜上制备缓冲层，薄膜厚度由器 件要求而定。 (7)窗口层和上电极的制备； 窗口层可以氧族化金属、金属可以是但不限于锌。 上电极材料可以为钥、钛和透明导电氧化物等。 采用常规的高真空气相法工艺，如热蒸发、磁控溅射和分子束外延等在衬底上制 备窗口层和上电极薄膜，薄膜厚度由器件要求而定。 本专利技术的有益效果体现在： (1)含碱元素前驱体溶液配制和薄膜制备过程都是在常温环境中进行，设备简单， 质量控制简易，成本低廉； (2)采用了非真空液相法工艺，相对现有的碱金属掺杂工艺，原料利用率高，而且 所制备的薄膜成分均匀性好，表面平整度高，亦不影响硫族化物吸光层与其他功能层的接 合效果，有利于生产大面积高质量的硫族化物太阳能电池。 【附图说明】 图1是本专利技术提供的底电极、金属或硫族化金属、碱和硫族元素薄膜的基片结构 示意图。 图2是以本专利技术的碱金属掺杂方法所制备的铜铟镓硒薄膜电池器件的切面电镜 照片。 【具体实施方式】 下面结合附图和实施例对本专利技术的【具体实施方式】作进一步的详细说明： (1)采用高纯硫化钠和硒元素粉末，选取乙二胺为溶剂，并按粘度调节剂与溶剂的 质量比为1 :10添加纤维素，磁力搅拌12小时，形成稳定的溶液。溶液中钠离子与吸收层 中铜铟镓金属离子比例为0. 2%，而硒原子的浓度控制在2M。 (2)利用溅射的方法在不锈钢衬底上沉积电极钥，钥厚度为0. 5um。 (3)利用铜铟和铜镓合金靶材以磁控溅射法制备金属预制层，薄膜厚度0. 6-lum。 (4)采用模缝涂布法在铜铟镓金属基片涂上配制的含碱前驱体溶液，然后在 150°C下烘烤10分钟。图1是本专利技术提供的底电极、金属或硫族化金属、碱和硫族元素薄膜 的基片结构示意图。该基片包括一（1)导电衬底，（2)金属或硫族化金属，（3)碱和硫族元 素薄膜。 (5)将沉积有铜/铟/镓/硒/钠薄膜的基片置于可分段程序控温的高温炉中，本文档来自技高网...
【技术保护点】
硫族化物薄膜太阳能电池生产中的碱金属掺杂方法,其特征在于步骤如下：§A含碱元素前驱体溶液的配制溶质为：高纯碱金属、碱化合物或硫族元素粉末(纯度>99.99％)，硫族元素可以是但不限于硫和硒；溶剂为：酮类、醇类、胺类等有机溶剂,也可以混合使用,并添加粘度调节剂；室温充分搅拌>12小时，形成稳定的前驱体溶液。高纯碱金属、碱化合物加入量需控制使碱离子与吸收层中金属离子比例为0.01～5％。而通过添加或减少溶剂的用量，将溶液中硫族元素浓度控制在0.01～5M；§B在衬底上制备底电极,衬底可以为无碱玻璃、刚性和柔性的金属材料或聚合膜；底电极材料可以为钼、钛和透明导电氧化物等；采用常规的高真空气相法工艺，如热蒸发、磁控溅射和分子束外延等在衬底上制备底电极薄膜；§C在底电极上制金属或硫族化金属反应薄膜；金属可以是但不限于铜、锌、锡、铟、镓；采用常规的高真空气相法工艺，如热蒸发、磁控溅射和分子束外延等在底电极薄膜上沉积金属或硫族化金属反应层。反应层厚度为0.6‑2um；§D在金属反应层制备碱和硫族元素薄膜；在常温的环境中,把配制的高纯硫族元素溶液利用常规的成膜工艺，如喷雾沉积、喷墨打印、模缝涂布、或刮涂法在金属反应层上沉积硫族元素层，后以低温烘烤,形成固态薄膜。§E将沉积有底电极、金属或硫族化金属、碱和硫族元素薄膜的基片置于可分段程序控温的高温炉中，真空密封，然后快速、均匀的升温，使得基片所在区域温度控制在200‑1000℃，依据预制反应层的厚度，进行5‑60min的处理，使反应层完全转变为結晶的硫族化物半导体薄膜；§E在硫族化物半导体薄膜制备缓冲层；缓冲层可以硫族化金属、金属可以是但不限于镉和锌；采用化学浴沉积法制备在硫族化物薄膜半导体薄膜上制备缓冲层；§F在缓冲层上制备窗口层和上电极；窗口层可以氧族化金属、金属可以是但不限于锌；上电极材料可以为钼、钛和透明导电氧化物等；采用常规的高真空气相法工艺，如热蒸发、磁控溅射和分子束外延等在衬底上制备窗口层和上电极薄膜。...
【技术特征摘要】
1. 硫族化物薄膜太阳能电池生产中的碱金属掺杂方法，其特征在于步骤如下： §A含碱元素前驱体溶液的配制溶质为：高纯碱金属、碱化合物或硫族元素粉末（纯度 >99. 99% )，硫族元素可以是但不限于硫和硒；溶剂为：酮类、醇类、胺类等有机溶剂，也可 以混合使用，并添加粘度调节剂；室温充分搅拌>12小时，形成稳定的前驱体溶液。高纯碱 金属、碱化合物加入量需控制使碱离子与吸收层中金属离子比例为〇. 01?5%。而通过添 加或减少溶剂的用量，将溶液中硫族元素浓度控制在〇. 01?5M ; §B在衬底上制备底电极，衬底可以为无碱玻璃、刚性和柔性的金属材料或聚合膜；底 电极材料可以为钥、钛和透明导电氧化物等；采用常规的高真空气相法工艺，如热蒸发、磁 控溅射和分子束外延等在衬底上制备底电极薄膜； §(：在底电极上制金属或硫族化金属反应薄膜；金属可以是但不限于铜、锌、锡、铟、 镓；采用常规的高真空气相法工艺，如热蒸发、磁控溅射和分子束外延等在底电极薄膜上沉 积金属或硫族化金属反应层。反应层厚度为〇. 6-2um ; §D在金属反应层制备碱和硫族元素薄膜；在常温的环境中，把配制的高纯硫族元素 溶液利用常规的成膜工艺，如喷雾沉积、喷墨打印、模缝涂布、或刮涂法在金属反应层上沉 积硫族元素层，后以低温烘烤，形成固态薄膜。§E将沉积有底电极、金属或硫族化金属、 碱和硫族元素薄膜的基片置于可分段程序控温的高温炉中，真空密封，然后快速、均匀的升 温，使得基片所在区域温度控制在200-1000°C，依据预制反应层的厚度，进行5-60min的处 理，使反应层完全转变为結晶的硫族化物半导体薄膜； § E在硫族化物半导体薄膜制备缓冲层；缓冲层可以硫族化金属、金属可以是但不限 于镉和锌；采用化学浴沉积法制备在硫族化物薄膜...
【专利技术属性】
技术研发人员：谢承智，刘德昂，钱磊，章婷，杨一行，冯宗宝，
申请(专利权)人：苏州瑞晟纳米科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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