专利名称：一种用于太阳能电池缓冲层CdS薄膜的电子束制备法的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于太阳能电池缓冲层CdS薄膜的电子束制备法，属于半导体薄膜材料技术领域。
背景技术：
CIGS太阳能电池已经被认为是最有发展空间的太阳能电池。CIGS薄膜太阳能电池的典型结构为Al/MgF2/Zn0/CdS/CIGS/Mo/衬底，并以衬底为支撑。该电池成本低，性能稳定、抗福射能力强、光电转换效率高、光谱响应范围宽、弱光性好，有可能成为未来光伏电池的主流产品之一。 目前使用最多且得到最高效率的缓冲层是II-VI族化合物半导体CdS薄膜。在CIGS电池结构中，实验数据显示不加缓冲层CdS，其转换效率只有7%。如果在ZnO和CIGS之间加上缓冲层CdS，则太阳能电池的转换效率达到11%至13%，电池转换效率提高了50%到80%。大大的改善了 CIGS太阳能电池的性能。CdS薄膜的制备可用蒸发法和化学水浴法(CBD)。通常化学水浴法是在溶液中利用化学反应在衬底上沉积薄膜的一种技术。但制备电池器件需要进出真空室，不利于一次成型，并且与电池器件其他结构匹配性和兼容性不够，限制了电池的大规模生产。同时由于CdS能隙偏窄、制备工艺不匹配等因素的制约，限制了电池的大规模应用。因此，目前对缓冲层的研究主要集中在薄膜的制备工艺的研究，因此开发新型的真空条件下沉积CdS薄膜是一种迫切的必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于太阳能电池缓冲层CdS薄膜的制备方法，是在真空条件下，CdS粉在通电加热到一定温度后升华的方式蒸发沉积到衬底上形成CdS薄膜，以达到电池器件制备全程均是在真空条件下完成，利于一次成型，保证了电池可以大规模生产。本发明方法可以有效克服现有技术中，采用化学水浴法(CBD)存在的制备电池器件需要进出真空室，不利于一次成型，并且与电池器件其他结构匹配性和兼容性不够，限制了电池的大规模生产的弊端。本发明技术方案是这样实现的一种用于太阳能电池缓冲层CdS薄膜的制备方法，其特征在于在真空条件下，将CdS粉末通电加热后采用升华的方式蒸发沉积到衬底上形成CdS薄膜，具体步骤如下A)衬底处理选择玻璃、不锈钢或者金属箔等材料作为衬底，将其放入50 100°C(如70°C)含有表面活性剂的水溶液中处理2h，再将衬底放在丙酮中超声5 20min (如IOmin),最后在去离子水中超声10 30min(如IOmin),用氮气吹干，放入干燥环境中备用；B)缓冲层CdS薄膜的制备采用纯度为99. 99 %的CdS粉末作为蒸镀材料，将其放入蒸发舟或坩埚作为蒸发源固定于电子束热蒸发设备上，将反应室抽真空至10_3Pa以下，如4X 10_3Pa，样品衬底温度为20 200°C ;控制电流在10 30A之间；CdS粉末蒸发沉积速率为O. I O. 3nm / s,蒸发时间为5 15min ；C)退火处理将步骤B)得到的CdS薄膜在100 400°C温度下(如150°C )和氮气或氦气保护气氛下退火处理I 120min (如30min)，得到更加致密、均匀且具有更好光电性能的CdS薄膜。所述的蒸发舟选用钥舟，在钥舟中加放一螺旋状钨丝加热蒸发CdS，达到均匀加热防止热分解。本发明具有如下优点和积极效果本发明在真空条件下将CdS粉通电加热后采用升华的方式蒸发沉积到衬底上形成CdS薄膜，真空热蒸发法成功克服了化学水浴法非真空条件制备CdS薄膜的限制，继承了分子束外延的优点，保证了电池器件各层均是在真空室内完成，提高了电池制作工艺流程 之间的兼容性，利于电池器件一次成型，并使电池器件各层更好的匹配与兼容，成膜光滑均匀、致密性好，退火后薄膜的光电性能有显著改善；降低了操作成本且操作简便，适宜工业化生产。
具体实施例方式以下结合实施例对本发明进行详细说明，但本实施例不能用于限制本发明，凡是采用与本发明相同的技术手段或相似变化，均应列入本发明的保护范围。实施例I :一种用于硬性衬底的CIGS (铜铟镓硒)薄膜太阳能电池缓冲层CdS薄膜的电子束制备法，具体步骤如下A)衬底处理根据对实验衬底的要求，先将玻璃或者不锈钢放入90°C含有表面活性剂的水溶液中处理2h，再将衬底放在丙酮中超声15min，最后再用去离子水中超声20min，用氮气吹干备用。B)缓冲层CdS薄膜的制备将装有CdS粉末的钥舟放入电子束蒸发设备中作为蒸发源，将衬底悬空固定在样品架上，采用纯度为99. 99%的CdS粉末并将其放入钥舟内作为蒸发源固定于热蒸发设备上，将衬底悬空固定在样品架上，将反应室抽真空至4X10_3Pa以下，样品衬底温度为100°C ;控制电流在20 30A之间；CdS粉末蒸发沉积速率约为O. 2
O.25nm / s，蒸发时间为12min。C)退火处理将蒸有CdS薄膜的衬底放置在200°C温度下和氮气或氦气保护气氛下退火处理，时间为30min，CdS薄膜退火处理后，薄膜的晶化程度有很大的提高，晶粒有明显的长大，其光电性能也有很大的改善。经过以上步骤则可得到CdS薄膜，将其作为CIGS薄膜太阳能电池的窗口层，得到更佳CIGS电池器件。实施例2:一种用于制备CdTe (碲化镉)太阳能电池缓冲层CdS薄膜的电子束制备法，具体步骤与实施例I相同，不同的是根据对实验衬底的要求，选取不锈钢或者玻璃作为衬底进行处理，蒸发舟选取钥舟，将装有CdS粉末的钥舟放入电子束蒸发设备的蒸发源，将衬底悬空固定在样品架上，得到长在衬底的上CdS薄膜，并进行退火处理，最后得到一种均匀、致密的具有良好光电效应的有CdS薄膜。经过以上步骤则可得到CdS薄膜，将其作为CdTe太阳能电池的窗口层。实施例3 一种用于柔性衬底的CIGS (铜铟镓硒)薄膜太阳能电池缓冲层CdS薄膜的电子束制备法，具体步骤与实施例I相同，不同的是根据对实验衬底的要求，选取金属箔作为衬底进行处理，同时选择装有CdS粉末的钥舟和装有CdS粉末的坩埚作为电子束设备的蒸发源，将衬底悬空固定在样品架上，得到长在金属箔衬底的上CdS薄膜。进行退火处理，退火温度为150°C。最后得到一种均匀、 致密的具有良好光电效应的有CdS薄膜。经过以上步骤则可得到CdS薄膜，将其作为柔性衬底的CIGS (铜铟镓硒)薄膜太阳能电池的窗口层。
权利要求
1.一种用于太阳能电池缓冲层CdS薄膜的制备方法，其特征在于在真空条件下，将CdS粉通电加热后采用升华的方式蒸发沉积到衬底上形成CdS薄膜，具体步骤如下 A)衬底处理选择玻璃、不锈钢或者金属箔作为衬底，将其放入50 100°C含有表面活性剂的水溶液中处理2h，再将衬底放在丙酮中超声5 20min，最后在去离子水中超声10 30min，用氮气吹干，放入干燥环境中备用； B)缓冲层CdS薄膜的制备采用纯度为99.99%的CdS粉末作为蒸镀材料，将其放入蒸发舟或坩埚作为蒸发源固定于电子束热蒸发设备上，将反应室抽真空至10_3Pa以下，如4X 10_3Pa，样品衬底温度为20 200°C ;控制电流在10 30A之间；CdS粉末蒸发沉积速率为O. I O. 3nm / s,蒸发时间为5 15min ； C)退火处理将步骤B)得到的CdS薄膜在100 400°C温度下和氮气或氦气保护气氛下退火处理I 120min，得到更加致密、均匀且具有更好光电性能的CdS薄膜。
2.根据权利要求I所述的用于太阳能电池缓冲层CdS薄膜的制备方法，其特征在于所述的蒸发舟选用钥舟，在钥舟中加放一螺旋状钨丝加热蒸发CdS，达到均匀加热防止热分解。
全文摘要
本发明涉及一种用于太阳能电池缓冲层CdS薄膜的制备方法，在真空条件下，将CdS粉末通电加热后采用升华的方式蒸发沉积到衬底上形成CdS薄膜，具体步骤为选择玻璃、不锈钢金属箔或硅片作为衬底，将其放入50～100℃含有表面活性剂的水溶液中处理2h后，再放入丙酮中超声5～20min，用去离子水中超声10～30min，氮气吹干；将纯度为99.99％的CdS粉末放入蒸发舟或坩埚内并固定于电子束热蒸发设备上，将反应室抽真空至10-3Pa以下，样品衬底温度为20～200℃；控制电流在20～30A之间；蒸发时间为5～15min；在100～400℃温度下和氮气或氦气保护气氛下退火处理1～120min，得到CdS薄膜。本发明具有工艺简单、耗费低、且薄膜更加致密、光滑均匀等优点，拥有更佳的光电性能，适合大规模生产。
文档编号C23C14/30GK102703860SQ20121020661
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月21日 优先权日2012年6月21日
发明者张华 , 曹军, 曹敏, 朱德明, 邓闯, 门传玲 申请人:上海理工大学