专利名称：ZnO为电绝缘与杂质阻挡层的薄膜太阳电池及其制备方法
技术领域：
本发明涉及薄膜太阳电池器件制作工艺，尤其是一种采用磁控溅射法在柔性衬底上沉积ZnO为电绝缘与杂质阻挡层的薄膜太阳电池及其制备方法。
背景技术：
人类社会的发展伴随着能源消耗的增加，与此同时，常规能源(如石油、煤炭等)储量在逐年减少，而且使用常规能源造成环境污染和气候恶化，导致地球生态环境的污染、破坏日趋严重。因此，人类对“可再生能源”、“绿色能源”的研究、开发和利用越来越重要、紧迫。这其中，太阳能无疑是人类未来能源的首选。从上世纪70年代起，许多国家掀起了太阳能光伏发电热潮，美国、日本、欧盟、印度等国家纷纷制定雄心勃勃的中长期发展规划推动光伏技术和光伏产业的发展，推动这一新能源产业的发展。
薄膜太阳电池是太阳电池的一种类型，当前最有前途的三种薄膜电池是非晶硅、CIGS、CdTe。CIGS薄膜太阳电池由于成本低、效率高、稳定性好(无衰退)等优点而成为最有前途的光伏器件之一。薄膜型光伏电池是在80年代末到90年代初开发，并取得了令人瞩目的成绩。主要有非晶硅薄膜，GaAs/GaAs，GaAs/Ge，InP/InP，InP/Si，锑化镉(CdTe)、CIGS薄膜以及染料TiO2电池。GaAs系列的光伏电池效率高(大于30％)，但造价太高。镉系(CdTe，CdS)电池有较高的效率(16.5％)，但发展该类电池对于环保问题始终是争论的焦点。而CIGS薄膜太阳能电池具备光电转换效率高(最高效率达到19.5％)、成本低、性能稳定、抗辐射能力强等特点。CIGS薄膜太阳能电池使用的CIGS薄膜是一种很有前途的半导体材料，禁带宽度1.04～1.7eV，与太阳光谱匹配较好，CIGS吸收层具有6×105cm-1的吸收系数，非常适合制作薄膜太阳能电池。
轻质柔性衬底铜铟硒太阳电池是一种新型薄膜太阳电池。在轻质金属箔或高分子聚合物薄膜基底上，经过真空沉积和化学方法沉积若干层半导体及金属薄膜而构成的太阳电池。而轻质柔性CIGS薄膜太阳能电池的优点轻质、可折叠、不易碎；重量功率比和转换效率高；空间性能好；机械性能好，卷带式沉积CIGS吸收层将会有效地减少生产成本。
常用的柔性衬底材料包括金属材料衬底，如不锈钢箔、Mo箔、Cu箔、Al箔和Ti箔等，聚合物材料衬底，如聚酰亚胺薄膜等。其中金属材料衬底在600℃以上也具有很高的机械稳定性和热稳定性；但有害杂质较多，容易向电池器件内部扩散，因而需要杂质阻挡层。此外，制备电池组件需要衬底为绝缘材料，因此使用金属衬底需要在金属衬底上预先沉积一层电绝缘层。现有技术中用于电子元器件阻挡层和电绝缘层的常用材料主要包括Al2O3、SiO2、Si3N4等，这些材料在厚度为2-3μm时就能起到很好地阻挡杂质进入CIGS电池吸收层的效果，但是如果作为电绝缘层则需要更厚才能具有良好的绝缘性。另外这些材料与Mo导电层的接触效果很好，但在制备过程中容易形成针孔，严重影响到电阻率的提高和阻挡的效果。制备阻挡层的常用沉积方法有PECVD，溅射法，物理气相沉积法，溶胶-凝胶法等，均需要专门的仪器设备进行沉积。
发明内容本发明目的旨在为克服现有技术的不足，而提供一种ZnO为电绝缘与杂质阻挡层的薄膜太阳电池及其制备方法。该ZnO薄膜结构致密，作为杂质阻挡层对于金属衬底内的杂质具有很好的阻挡效果，作为电绝缘层具有良好的绝缘效果，可用于制备柔性金属衬底电池。
本发明为实现上述目的，设计了一种ZnO为电绝缘与杂质阻挡层的薄膜太阳电池。它包括轻质柔性衬底、ZnO电绝缘层与杂质阻挡层、背电极、吸收层、窗口层和前电极，其特征在于所述轻质柔性衬底是金属材料衬底或聚合物材料衬底；衬底和背电极之间为0.8～4.0μm的ZnO电绝缘与杂质阻挡层。
本发明还公开了一种ZnO为电绝缘与杂质阻挡层的薄膜太阳电池的制备方法，其特征在于所述ZnO电绝缘与杂质阻挡层用蒸发、溅射、溶胶凝胶法或化学气相沉积法沉积在轻质柔性衬底上，然后再在ZnO电绝缘与杂质阻挡层上制备背电极、吸收层、窗口层和前电极，得到ZnO为电绝缘与杂质阻挡层的薄膜太阳电池。所述ZnO电绝缘层与杂质阻挡层制备工艺是在轻质柔性衬底上直流磁控溅射沉积ZnO电绝缘与杂质阻挡层，采用纯锌靶或者ZnO陶瓷靶，调整氧气和氩气的流量比为1∶2，沉积时间为2-4小时。
本发明有益效果是
本发明能在柔性CIGS电池(也包括碲化镉、非晶硅、砷化镓、硫化镉或染料TiO2光伏电池)衬底上制备出高效ZnO杂质阻挡层，以阻挡衬底内的有害杂质向CIGS吸收层内部扩散，以提高电池的性能。其特点生长速率高、薄膜质量稳定、制备成本低、薄膜均匀性好、适宜大面积沉积。由此制备的ZnO杂质阻挡层可作为柔性衬底的杂质阻挡层制备柔性CIGS薄膜太阳电池，以获得较高的转换效率。
本发明还可以利用纯锌靶或者ZnO陶瓷靶材，通过溅射法在金属衬底上沉积ZnO薄膜，薄膜结构致密，具有很高的电阻率，ZnO阻挡层电阻率在1011Ω·cm以上，且薄膜质量稳定、均匀性好、适宜大面积沉积，达到制备电池组件的要求。
本发明的制备工艺可以应用于铜铟镓金属预制层后硒化或者硫化制备铜铟镓硒薄膜太阳电池的生产线上，以及共蒸发制备铜铟镓硒薄膜太阳电池的生产线上和其工艺执行过程中，直接利用生产线上ZnO窗口层的装置和工艺，制备柔性衬底ZnO杂质阻挡层和电绝缘层薄膜。
图1为本发明的ZnO作为杂质阻挡层的CIGS薄膜太阳电池结构示意图；图2为本发明的ZnO作为电绝缘阻挡层的CIGS薄膜太阳电池结构示意图。
具体实施方式本发明ZnO为电绝缘与杂质阻挡层的薄膜太阳电池，其轻质柔性衬底可以是金属材料衬底如不锈钢箔、Mo箔、Cu箔、Al箔或Ti箔等，也可以是聚合物材料衬底如聚酰亚胺薄膜等其它绝缘材料衬底。衬底上面是0.8～4.0μm的ZnO电绝缘与杂质阻挡层。吸收层是CIGS、碲化镉、非晶硅、砷化镓、硫化镉或染料TiO2等光伏材料。
ZnO电绝缘与杂质阻挡层可以是掺杂ZnO薄膜或本征ZnO薄膜。也可以是掺杂ZnO薄膜或本征ZnO薄膜与Al2O3、SiO2共沉积或分层沉积的薄膜。共沉积时三种金属氧化物以任意的比例混合，分层沉积时三种金属氧化物的厚度分别为0.2μm～3μm，总厚度为0.8μm～4.0μm。
例如本发明是金属材料衬底，吸收层是CIGS、碲化镉、非晶硅、砷化镓、硫化镉或染料TiO2等光伏材料，本征金属氧化物ZnO薄膜做为电绝缘阻挡层，厚度0.8～4.0μm，优选2.5μm。或是聚合物材料衬底，吸收层是CIGS、碲化镉、非晶硅、砷化镓、硫化镉或染料TiO2等光伏材料，掺杂或本征ZnO薄膜做为杂质阻挡层，厚度0.8～2.0μm，优选1.5μm。
本发明制备的柔性不锈钢衬底CIGS太阳电池，采用中频磁控溅射在不锈钢衬底上沉积ZnO杂质阻挡层薄膜材料，然后直流磁控溅射Mo导电层，共蒸发法或者后硒化法沉积CIGS吸收层，化学水浴法或者蒸发法沉积CdS过渡层，溅射法沉积ZnO窗口层(i-ZnO/ZnO:Al)，得到柔性不锈钢衬底CIGS太阳电池器件。其电池结构为ZnO:Al/i-ZnO/CdS/CIGS/ZnO/Mo/不锈钢衬底太阳电池器件。
具体制备工艺为1、利用ZnO作为杂质阻挡层的制备工艺是采用金属靶或者ZnO陶瓷靶，将清洗和预处理好的衬底置于小车的底部的中央位置，待真空室抽至3×10-3Pa后，通电加热衬底，温度250℃，加热时间为40分钟。打开Ar和O2进气管，通过调节Ar和O2流量计，使得流量比O2∶Ar＝1∶2。待反应气体进入真空室后，打开溅射电源产生辉光，通过调节分子泵的闸板阀调节真空室的压强，获得稳定的辉光，使O2与溅射物质在等离子体的作用下充分反应，沉积时间根据溅射功率和溅射真空度而定，一般为3.0小时，溅射薄膜厚度为0.8～2.0μm。
2、利用ZnO作为电绝缘层的制备工艺是将清洗和预处理好的金属衬底置于小车的底部的中央位置，待真空室抽至3×10-3Pa后，通电加热金属衬底，温度250℃，加热时间为50分钟。打开Ar和O2进气管，通过调节Ar和O2流量计，使得流量比O2∶Ar＝1∶1。待反应气体进入真空室后，打开溅射电源产生辉光，通过调节分子泵的闸板阀调节真空室的压强，获得稳定的辉光，使O2与溅射物质在等离子体的作用下充分反应，沉积时间根据溅射功率和溅射真空度而定，一般为4.0小时，溅射薄膜厚度为0.8～4μm。所制备的ZnO阻挡层电阻率在1011Ω·cm以上。
制备时，衬底在靶材的上面，并且来回的移动，以便获得厚度均匀的薄膜，避免因薄膜部分区域厚度不足而降低ZnO薄膜对于杂质的阻挡效果和ZnO薄膜的电绝缘性能。
本发明使用设备包括真空室，Ar和O2进气管，气体流量计，机械真空泵和分子泵，真空计，加热电阻丝等。
权利要求
1.一种ZnO为电绝缘与杂质阻挡层的薄膜太阳电池，其包括轻质柔性衬底、ZnO电绝缘层和杂质阻挡层、背电极、吸收层、窗口层和前电极，其特征在于所述轻质柔性衬底是金属材料衬底或聚合物材料衬底；衬底和背电极之间为0.8～4.0μm的ZnO电绝缘层与杂质阻挡层。
2.根据权利要求1所述的ZnO为电绝缘与杂质阻挡层的薄膜太阳电池，其特征在于所述金属材料衬底是不锈钢箔、Mo箔、Cu铜箔、Al箔或Ti箔。
3.根据权利要求1或2所述的ZnO为电绝缘与杂质阻挡层的薄膜太阳电池，其特征在于所述聚合物材料衬底是聚酰亚胺薄膜。
4.根据权利要求1所述的ZnO为电绝缘与杂质阻挡层的薄膜太阳电池，其特征在于所述吸收层是CIGS、碲化镉、非晶硅、砷化镓、硫化镉或染料TiO2光伏材料。
5.根据权利要求1、2或4所述的ZnO为电绝缘与杂质阻挡层的薄膜太阳电池，其特征在于所述ZnO电绝缘与杂质阻挡层是掺杂ZnO薄膜或本征ZnO薄膜。
6.根据权利要求1、2或4所述的ZnO为电绝缘与杂质阻挡层的薄膜太阳电池，其特征在于所述ZnO电绝缘与杂质阻挡层是掺杂ZnO薄膜或本征ZnO薄膜与Al2O3、SiO2共沉积或分层沉积的薄膜；共沉积时三种金属氧化物以任意的比例混合，分层沉积时三种金属氧化物的厚度分别为0.2μm～3μm。
7.根据权利要求5所述的ZnO为电绝缘与杂质阻挡层的薄膜太阳电池，其特征在于所述轻质柔性衬底是金属材料衬底，吸收层是CIGS、碲化镉、非晶硅、砷化镓、硫化镉或染料TiO2光伏材料，本征ZnO薄膜作为电绝缘阻挡层，厚度为0.8～4.0μm。
8.根据权利要求5所述的ZnO为电绝缘与杂质阻挡层的薄膜太阳电池，其特征在于所述轻质柔性衬底是聚合物材料衬底，吸收层是CIGS、碲化镉、非晶硅、砷化镓、硫化镉或染料TiO2光伏材料，掺杂或本征ZnO薄膜做为杂质阻挡层，厚度为0.8～2.0μm。
9.一种根据权利要求1所述的ZnO为电绝缘与杂质阻挡层的薄膜太阳电池的制备方法，其特征在于所述ZnO电绝缘与杂质阻挡层用蒸发、溅射、溶胶凝胶法或化学气相沉积法沉积在轻质柔性衬底上，然后再在ZnO电绝缘与杂质阻挡层上沉积背电极、吸收层、窗口层和前电极，得到ZnO为电绝缘与杂质阻挡层的薄膜太阳电池。
10.根据权利要求9所述的ZnO为电绝缘与杂质阻挡层的薄膜太阳电池的制备方法，其特征在于所述ZnO电绝缘与杂质阻挡层制备工艺是在轻质柔性衬底上直流磁控溅射沉积ZnO电绝缘与杂质阻挡层，采用纯锌靶或者ZnO陶瓷靶，调整氧气和氩气的流量比为1∶2，沉积时间为2～4小时。
全文摘要
本发明公开了一种ZnO为电绝缘与杂质阻挡层的薄膜太阳电池及其制备方法，利用该发明制备的金属衬底ZnO杂质阻挡层和电绝缘层，适宜于柔性光伏电池。本发明利用纯锌靶或者ZnO陶瓷靶等靶材，通过溅射法在金属衬底上沉积ZnO薄膜，通过调整Ar和O
文档编号H01L31/18GK101093863SQ20071005759
公开日2007年12月26日 申请日期2007年6月12日 优先权日2007年6月12日
发明者施成营, 孙云, 何青, 李凤岩, 赵久成 申请人:南开大学