专利名称：一种制备用于太阳能电池窗口层的CdS薄膜的方法
技术领域：
本发明涉及薄膜太阳能电池制备技术领域，具体涉及到一种制备用于太阳能电池 窗口层的CdS薄膜的方法，特别是用于CdS/CdTe和CdS/CIGS结构太阳电池。
背景技术：
近年来，国际能源短缺和环境污染的日趋严峻为各种新能源技术带来巨大机遇。 太阳能电池以其取之不尽和零污染的特性在各类新能源技术中脱颖而出，并且有了飞速的 发展。目前来讲，薄膜太阳能电池已经成为了发展趋势的主流。在薄膜太阳能电池中，CdTe 薄膜电池的理论转换率高达28%，而且制作成本较低，从而吸引了业界的广泛关注。
目前，产业化生产的太阳能电池实际转换效率受窗口层材料-一CdS薄膜的质量 影响很大。CdS是一种重要的半导体材料，禁带宽度约为2. 42eV，由于其能允许绝大部分的 可见光透过而被广泛用作薄膜太阳能电池的窗口材料。所以，CdS薄膜质量的好坏对太阳 能电池的性能及转换效率影响巨大，其结晶状态、表面形貌和厚度都是要考虑的重要因素。
当前，人们已经发展了一些CdS薄膜的制备方法，如化学水浴沉积法，这种工艺 所生长的薄膜不够结实，很容易在外界环境的影响下脱落。另外一种方法如近空间升华 法，但是这种方法生长的薄膜不够均匀，影响光透过性。而且，当衬底温度低于或高于一定 值的时候，CdS薄膜无法沉积，受沉底影响很大。针对这些实际问题，急需找到一种成膜结 实而且均匀，生长速度快、结晶状态良好，又不受衬底影响的方法。 磁控溅射方法是一种具有沉积速率高、薄膜与基片附着性能好的材料生长方法， 而且所生长的薄膜致密度高、成分容易控制。用该方法来生长CdS薄膜的时候，要注意基片 温度，耙材性能，溅射功率，生长气氛及气压，以及生长时间。在对这些参数进行摸索之后， 得到了最优参数。 本发明将利用磁控溅射设备制备CdS薄膜，该薄膜光透过性好，成膜结实和结晶 状态好。
发明内容
( — )要解决的技术问题 本发明的目的在于提供一种制备用于太阳能电池窗口层的CdS薄膜的方法，即在 太阳能电池的不同结构下所用的透明电极上溅射CdS薄膜。制备薄膜太阳能电池需要用到 透明电极，先在伏法玻璃上沉积一层500nm左右的透明电极，再在该透明电极层上生长CdS 薄膜。利用不同的方法在透明电池材料在沉积CdS薄膜会有不同的效果，这是因为透明电 极层和CdS窗口层都非常薄，互扩散作用不可避免。如果扩散的区域很深的话即影响透明 电极层作为导电电极的性能，又使得CdS窗口层的透过率和结晶状态变差。利用磁控溅射， 只需要很低的温度便可以实现材料的生长，极大地降低了温度对扩散作用的影响；而且溅 射方法的生长速率快，减少了生长时间，而且成膜结实效果好。简化了整个器件的制备过 程。
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( 二 )技术方案 为达到上述目的，本发明提供了一种制备用于太阳能电池窗口层的CdS薄膜的方 法，包括以下步骤 步骤1 :利用超声波仪器和化学洗剂将浮法玻璃表面清洗干净，并利用氢氟酸刻 蚀法去除其表面的氧化层； 步骤2 :将清洗干净的浮法玻璃放入沉积设备中，沉积透明电极层；
步骤3 :将沉积了透明电极层的基片用化学试剂超声清洗； 步骤4 :将清洗干净的基片放入生长设备中，生长CdS薄膜，完成太阳能电池CdS 窗口层的制备。
上述方案中，步骤1中所述化学洗剂包括丙酮、乙醇和三氯乙烯。 上述方案中，步骤2中所述透明电极层包括IT0和Sn(^:F。 上述方案中，步骤2中所述透明电极层的厚度为400至500nm。 上述方案中，步骤2中所述沉积透明电极的设备包括磁控溅射和化学气相沉积设备。 上述方案中，步骤4中所述生长CdS薄膜的设备为磁控溅射设备。 上述方案中，所述采用磁控溅射设备生长CdS薄膜时，是用陶瓷CdS靶材为源材
料，Ar作为载气进行的。 上述方案中，步骤4中所述CdS薄膜生长温度为200至400°C，厚度为300至 500nm。(三)有益效果 本发明提供了一种高效的用于太阳能电池窗口层的CdS薄膜材料制备方法，即现 在浮法玻璃基片上沉积一层400-500nm的透明电极层，再在该透明电极上生长CdS薄膜。主 要优点有 1、所沉积的透明电极即可以充当太阳能电池的电极，又不影响太阳光的透过率和 器件对光的吸收问题，并且和玻璃基片黏附性强，不易脱落。 2、所沉积的CdS薄膜与透明电极之间不存在严重的晶格失配和热失配问题，提高 了器件的性能。 3、所沉积的CdS薄膜虽然未多晶状态，但不影响光吸收和光透过性能，而且附着 力强，沉积速率快，可以利用该CdS薄膜制备大面积、低成本的太阳电池及其他光学器件。
4、用该溅射方法制备CdS薄膜过程中，生长温度低，极大的降低了 CdS薄膜层和透 明电极层互扩散作用，使CdS薄膜中杂质浓度降低，增强了 CdS薄膜的质量。而且溅射过程 中不影响透明电极层的厚度和结晶质量等性能。
为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明乳后，其 中 图1为本发明提供的制备用于太阳能电池窗口层的CdS薄膜的方法流程图；
图2为本发明中所生长的薄膜结构示意图； 图3为本发明实施例中在ITO透明电极上沉积的CdS薄膜的X射线衍射谱；
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图4为本发明实施例中在IT0透明电极上沉积的CdS薄膜采用紫外可见分光光度 计测试的光吸收谱。
具体实施例方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。 请参考图1所示，图1为本发明提供的制备用于太阳能电池窗口层的CdS薄膜的 方法流程图，该方法包括以下步骤 步骤1 :利用超声波仪器和化学洗剂将浮法玻璃表面清洗干净，并利用酸法刻蚀
去除其表面的氧化层。其中所述的化学洗剂包括丙酮、乙醇和三氯乙烯； 步骤2 :将清洗干净的浮法玻璃放入沉积设备中，沉积一层透明电极层；其中所述
的透明电极层包括ITO和Sn02:F，其中所述的透明电极层的厚度为400至500nm，其中所述
的沉积透明电极的设备包括磁控溅射合化学气相沉积设备。
步骤3 :将沉积了透明电极层的基片用化学试剂超声清洗； 步骤4 :将清洗干净的基片放入生长设备中，生长CdS薄膜，完成太阳能电池CdS 窗口层的制备。其中所述的生长CdS薄膜的设备为磁控溅射设备，采用磁控溅射设备生长 CdS薄膜时，是用陶瓷CdS靶材为源材料，Ar作为载气进行的，所述的CdS薄膜生长温度为 200至400°C ，厚度为300至500nm。
实施例一 在玻璃基片上沉积透明电极ITO后再生长CdS薄膜的具体步骤如下(结合参阅图 2): 将玻璃基片浸泡于化学洗剂后，用超声波清洗仪器将基片表面清洗干净，并利用 硝酸、硫酸、双氧水和盐酸去除表面的无机物和氧化物； 将处理干净的玻璃基片缓缓放入磁控溅射设备的基片台上并固定好，生长一层
500nm的ITO透明电极层。溅射时基片温度为30(TC，气压为3X 10—3Pa ; 将沉积好ITO的基片用化学洗剂超声清洗干净后，缓缓放入溅射设备基片台上，
固定稳定之后进行CdS薄膜的生长。生长作用的磁控溅射设备包括射频电源，反应腔体，可
旋转的基片台，放置源材料的靶台，真空和制冷系统，以及一系列气路等； CdS薄膜的生长源材料为陶瓷CdS靶材，生长薄膜时载气为Ar。生长过程中，先将
通入Ar气IO分钟，起到清洗腔体的作用。另外，在溅射时，先将基片用挡板遮挡，预溅射5
至IO分钟，清洗靶材表面。整个过程中，由射频电源激发的等离子体在磁场的控制下将CdS
靶材中的CdS激发出靶材，然后以高速向基片沉积。 在生长CdS薄膜时，基片温度控制在200°C ，气压为3 X 10—3Pa，生长厚度为500nm。
在该实施例中，我们对玻璃基片上沉积透明电极ITO后再生长的CdS薄膜进行了 测试分析，包括X射线衍射仪、紫外可见分光光度计和室温光致发光(PL)谱分析。其中，CdS 薄膜的X射线衍射谱如图3所示，在图中可以看到，所生长的CdS薄膜为虽然多晶，但主要 晶向仍是沿c轴，呈现(002)择优取向生长，说明该CdS薄膜结晶质量良好。图4为紫外可 见分光光度计所测试的光吸收谱，由该图可以看出，CdS薄膜对可见光的吸收很微小，可以 透过80%以上可见光波段，这对太阳电池的转换效率非常有益。
实施例二 在玻璃基片上沉积透明电极Sn02:F后再生长CdS薄膜的具体步骤如下(结合参 阅图2): 将玻璃基片浸泡于化学洗剂后，用超声波清洗仪器将基片表面清洗干净，并利用 硝酸、硫酸、双氧水和盐酸去除表面的无机物和氧化物； 将处理干净的玻璃基片缓缓放入CVD设备中上并固定好，生长一层500nm的 Sn(^:F透明电极层。 将沉积好Sn02:F的基片用化学洗剂超声清洗干净后，缓缓放入溅射设备基片台 上，固定稳定之后进行CdS薄膜的生长。生长作用的磁控溅射设备包括射频电源，反应腔 体，可旋转的基片台，放置源材料的靶台，真空和制冷系统，以及一系列气路等；
CdS薄膜的生长源材料为陶瓷CdS靶材，生长薄膜时载气为Ar。生长过程中，先将 通入Ar气IO分钟，起到清洗腔体的作用。另外，在溅射时，先将基片用挡板遮挡，预溅射5 至IO分钟，清洗靶材表面。整个过程中，由射频电源激发的等离子体在磁场的控制下将CdS 靶材中的CdS激发出靶材，然后以高速向基片沉积。 在生长CdS薄膜时，基片温度控制在200°C ，气压为3 X 10—3Pa，生长厚度为500nm。
在该实施例中，我们对玻璃基片上沉积透明电极ITO后再生长的CdS薄膜进行了 测试分析，包括X射线衍射仪、紫外可见分光光度计和室温光致发光(PL)谱分析。其中，CdS 薄膜的X射线衍射谱如图3所示，在图中可以看到，所生长的CdS薄膜为虽然多晶，但主要 晶向仍是沿c轴，呈现(002)择优取向生长，说明该CdS薄膜结晶质量良好。图4为紫外可 见分光光度计所测试的光吸收谱，由该图可以看出，CdS薄膜对可见光的吸收很微小，可以 透过80%以上可见光波段，这对太阳电池的转换效率非常有益。
实施例三 在玻璃基片上沉积透明电极ITO后再生长CdS薄膜的具体步骤如下(结合参阅图 2): 将玻璃基片浸泡于化学洗剂后，用超声波清洗仪器将基片表面清洗干净，并利用 硝酸、硫酸、双氧水和盐酸去除表面的无机物和氧化物； 将处理干净的玻璃基片缓缓放入磁控溅射设备的基片台上并固定好，生长一层
400nm的ITO透明电极层。溅射时基片温度为40(TC，气压为3X 10—3Pa ; 将沉积好ITO的基片用化学洗剂超声清洗干净后，缓缓放入溅射设备基片台上，
固定稳定之后进行CdS薄膜的生长。生长作用的磁控溅射设备包括射频电源，反应腔体，可
旋转的基片台，放置源材料的靶台，真空和制冷系统，以及一系列气路等； CdS薄膜的生长源材料为陶瓷CdS靶材，生长薄膜时载气为Ar。生长过程中，先将
通入Ar气IO分钟，起到清洗腔体的作用。另外，在溅射时，先将基片用挡板遮挡，预溅射5
至IO分钟，清洗靶材表面。整个过程中，由射频电源激发的等离子体在磁场的控制下将CdS
靶材中的CdS激发出靶材，然后以高速向基片沉积。在生长CdS薄膜时，基片温度控制在
200。C，气压为3Xl(r卞a，生长厚度为300nm。 实施例四 在玻璃基片上沉积透明电极ITO后再生长CdS薄膜的具体步骤如下(结合参阅图 2):
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将玻璃基片浸泡于化学洗剂后，用超声波清洗仪器将基片表面清洗干净，并利用 硝酸、硫酸、双氧水和盐酸去除表面的无机物和氧化物； 将处理干净的玻璃基片缓缓放入磁控溅射设备的基片台上并固定好，生长一层
500nm的IT0透明电极层。溅射时基片温度为20(TC，气压为3X 10—3Pa ; 将沉积好ITO的基片用化学洗剂超声清洗干净后，缓缓放入溅射设备基片台上，
固定稳定之后进行CdS薄膜的生长。生长作用的磁控溅射设备包括射频电源，反应腔体，可
旋转的基片台，放置源材料的靶台，真空和制冷系统，以及一系列气路等； CdS薄膜的生长源材料为陶瓷CdS靶材，生长薄膜时载气为Ar。生长过程中，先将
通入Ar气IO分钟，起到清洗腔体的作用。另外，在溅射时，先将基片用挡板遮挡，预溅射5
至IO分钟，清洗靶材表面。整个过程中，由射频电源激发的等离子体在磁场的控制下将CdS
靶材中的CdS激发出靶材，然后以高速向基片沉积。在生长CdS薄膜时，基片温度控制在
200。C，气压为3Xl(r卞a，生长厚度为400nm。 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡 在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。
权利要求
一种制备用于太阳能电池窗口层的CdS薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤步骤1利用超声波仪器和化学洗剂将浮法玻璃表面清洗干净，并利用氢氟酸刻蚀法去除其表面的氧化层；步骤2将清洗干净的浮法玻璃放入沉积设备中，沉积透明电极层；步骤3将沉积了透明电极层的基片用化学试剂超声清洗；步骤4将清洗干净的基片放入生长设备中，生长CdS薄膜，完成太阳能电池CdS窗口层的制备。
2. 根据权利要求l所述的制备用于太阳能电池窗口层的CdS薄膜的方法，其特征在于， 步骤1中所述化学洗剂包括丙酮、乙醇和三氯乙烯。
3. 根据权利要求l所述的制备用于太阳能电池窗口层的CdS薄膜的方法，其特征在于， 步骤2中所述透明电极层包括IT0和Sn02:F。
4. 根据权利要求l所述的制备用于太阳能电池窗口层的CdS薄膜的方法，其特征在于， 步骤2中所述透明电极层的厚度为400至500nm。
5. 根据权利要求l所述的制备用于太阳能电池窗口层的CdS薄膜的方法，其特征在于， 步骤2中所述沉积透明电极的设备包括磁控溅射和化学气相沉积设备。
6. 根据权利要求l所述的制备用于太阳能电池窗口层的CdS薄膜的方法，其特征在于， 步骤4中所述生长CdS薄膜的设备为磁控溅射设备。
7.根据权利要求6所述的制备用于太阳能电池窗口层的CdS薄膜的方法，其特征在于， 所述采用磁控溅射设备生长CdS薄膜时，是用陶瓷CdS靶材为源材料，Ar作为载气进行的。
8. 根据权利要求l所述的制备用于太阳能电池窗口层的CdS薄膜的方法，其特征在于， 步骤4中所述CdS薄膜生长温度为200至400°C ，厚度为300至500nm。
全文摘要
本发明薄膜太阳能电池制备技术领域，公开了一种制备用于太阳能电池窗口层的CdS薄膜的方法，包括以下步骤步骤1利用超声波仪器和化学洗剂将浮法玻璃表面清洗干净，并利用氢氟酸刻蚀法去除其表面的氧化层；步骤2将清洗干净的浮法玻璃放入沉积设备中，沉积透明电极层；步骤3将沉积了透明电极层的基片用化学试剂超声清洗；步骤4将清洗干净的基片放入生长设备中，生长CdS薄膜，完成太阳能电池CdS窗口层的制备。利用本发明，提高了器件的性能，可以利用该CdS薄膜制备大面积、低成本的太阳电池及其他光学器件，使CdS薄膜中杂质浓度降低，增强了CdS薄膜的质量。
文档编号H01L31/18GK101740665SQ20091024169
公开日2010年6月16日 申请日期2009年12月2日 优先权日2009年12月2日
发明者朱峰, 李京波 申请人:中国科学院半导体研究所