专利名称：CdTe太阳能电池的复合透明导电薄膜及制备方法
技术领域：
本发明涉及透明导电氧化物薄膜技术领域，具体是指一种用于CdTe薄膜太阳能电池的复合透明导电薄膜及制备方法。
背景技术：
CdTe太阳能电池被认为是一种非常有前景的薄膜太阳能电池。CdTe具有1. 45eV 的光学带隙，非常接近太阳能电池需要的最优能隙；吸收系数约为IO5CnT1,理想情况下， Iym厚的CdTe薄膜即可吸收99%的太阳辐射能量，用作太阳能电池材料，可以减少材料的消耗，降低生产成本。此外，它可以利用多种快速成膜技术制作，近年来商业性表现较佳，许多研究者都看好其市场前景，认为未来可能超过非晶硅太阳能电池的占有量。CdTe电池主要结构为衬底/透明导电薄膜(TCO)/n-CdS/p-CdTe/背电极。在 CdTe电池的制备过程中存在一个问题太阳光的主要吸收层在CdTe层，而作为η型层的 CdS薄膜带隙仅为2. 4eV,太阳光在经过CdS薄膜时会被吸收掉大部分短波能量，为避免能量损失，使太阳光尽可能多的进入CdTe层，就需要减薄CdS层，但CdS层过薄，膜层又会呈岛状分布而不易形成连续薄膜，造成薄膜有微孔，使P型CdTe与TCO层直接导通，形成针孔效应，破坏电池的pn结特性，降低电池效率，所以对CdS膜层厚度的控制成为一个较难把握的问题。对CdTe电池的TCO层来说，其制备过程也是非常重要的一个环节，一方面，TCO薄膜从电阻率和透射率两个方面影响电池整体的性能，另一方面TCO薄膜的表面形貌、晶格结构等还影响着后续沉积的CdS薄膜各方面的性能。在US006137048A专利中，Xuanzhi Wu 等人公布了一种Cd2Sn04/ai2Sn04复合透明导电薄膜结构，以此来解决CdS薄膜带隙和厚度的问题，构成的电池结构为衬底/Cd2Sn04/Zn2Sn04/CdS/CdTe/背电极。其中Si2SnO4作为缓冲层，一方面能够与CdS薄膜合金化，形成比CdS具有更高带隙的SixCdhS层，另一方面， CdS和Si2SnO4之间发生的相互扩散，消耗了部分CdS薄膜，在生产过程中可采用稍厚的CdS 薄膜而不用牺牲电池的短路电流密度。Cd2SnO4作为高电导和高透射膜层，虽然与&1#1104具有相同的晶体结构，但Cd有毒，制备的薄膜质量不易控制，目前研究较少。此外，Cd2SnO4-材的制备成本高昂，而在工业生产方面，成本因素是需要重点考虑的因素，因此，Cd2SnOd^ 膜的高成本制备的特点限制了它在CdTe电池工业生产中的应用。如果我们能找到一种材料可摒弃有毒、高成本的Cd2SnO4层，采用无毒、低成本的高导高透射材料来替代，与Si2SnO4缓冲层结合，构成双层复合结构的透明导电薄膜，将是有很大市场前景的。
发明内容
基于上述提到的种种问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的缺陷，提出一种绿色环保的用于CdTe薄膜太阳能电池的复合透明导电薄膜及制备方法。本发明的技术方案是复合透明导电薄膜由SiO Al和Si2SnO4构成，通过磁控溅射生长及高温快速退火处理，达到我们所要求的复合透明导电薄膜。本发明的一种用于CdTe太阳能电池的复合透明导电薄膜由通过磁控溅射，在玻璃衬底上生长的SiOAVZn2SnO4构成。其中&ι0:Α1由Al2O3掺杂，掺杂剂量比为lwt% 3wt%。本发明的一种用于CdTe太阳能电池的复合透明导电薄膜的制备方法，其步骤为A.将玻璃衬底用常规的半导体工艺清洗干净并用氮气吹干，放入磁控溅射腔室的基片台上，将由Al2O3掺杂，掺杂剂量比为Iwt % 3wt %的SiO Al靶和Si2SnO4靶安装到各自的靶枪上，将溅射腔真空抽至2 X 10_4Pa，然后在玻璃衬底上先生长SiO: Al薄膜，后生长 Zn2SnO4 薄膜。ZnOiAl膜层的磁控溅射参数范围设定溅射功率为100 250W，溅射气体为高纯Ar，溅射气压0. 1 0. 3Pa,衬底温度为室温，通过沉积时间来控制薄膜厚度在500 1200nm 范围。Zn2SnO4膜层的磁控溅射参数范围设定溅射功率为50W 250W，溅射气体为高纯 O2,溅射气压为0. 1 0. 4Pa,衬底温度为室温，通过沉积时间来控制薄膜厚度在20 IOOnm 范围。B.将上述玻璃/2110^1/&1251104复合结构的薄膜在高纯Ar氛围中原位快速退火 5 15分钟，退火气压为1 3Pa，退火温度500 650°C，自然冷却到室温取出。本发明最显著的优点是1、采用S1O = AVZn2SnO4双层复合结构可省去&ιΟ:Α1薄膜在制备过程中的加热工序，因为Si2SnO4薄膜需要有500 650°C的短时间退火工艺，让SiO: Al/Zn2Sn04双层复合薄膜在高温下快速退火，可以促进薄膜中晶粒的生长，从而简化工艺、节约成本。此外，双层薄膜一起退火，还可以使双层薄膜中的晶粒同时长大，减少了膜层之间的应力，增强附着力。2、Zn2SnO4薄膜具有很好的热稳定性和很强的耐化学腐蚀性，可保护&ιΟ:Α1薄膜免受高温和腐蚀的影响，扩大&ιθ:Α 薄膜的应用范围。3、Si2SnO4薄膜具有非常高的透射率(见图1)，与SiO:Al薄膜结合形成复合透明导电膜，不会带来薄膜整体透射率的损失。4、Zn2SnO4薄膜作为缓冲层，能与CdS薄膜合金化，形成比CdS薄膜具有更高带隙的ZnxCdhS薄膜，增加电池的短路电流密度。CdS和Si2SnO4薄膜之间发生的相互扩散，能改善CdS层与TCO层的粘连问题，解决CdS薄膜的厚度控制问题，也能改进CdTe电池在整个有效波段的量子效率。5,ZnOiAl薄膜与Si2SnO4薄膜同时具有Si原子，不存在膜层之间原子的相互扩散带来薄膜质量的恶化问题。
图1为Sl2SnO4 (Slnm)薄膜的透射率图谱图2为&iO:Al (683nm)/Zn2SnO4 (8lnm)双层复合透明导电薄膜的透射率图谱图3为&iO:Al (1006nm)/Zn2SnO4 (54nm)双层复合透明导电薄膜的透射率图谱
具体实施例方式实施例1 将玻璃衬底清洗干净并用氮气吹干，放入磁控溅射腔室的基片台上。将&ι0:Α1 靶(Al2O3掺杂剂量比为2wt%)和Zn2SnO4-安装到各自的靶枪上，将溅射腔真空抽至 2X 10_4Pa，然后在玻璃衬底上采用射频磁控溅射技术先生长&ι0:Α1薄膜，后生长Si2SnOj^ 膜。ZnOiAl膜层的磁控溅射参数范围设定溅射功率为200W，溅射气体为高纯Ar，溅射气压0. 15Pa，衬底温度为室温，沉积时间1. 5小时，得到薄膜厚度为683nm。Zn2SnO4膜层的磁控溅射参数范围设定溅射功率为100W，溅射气体为高纯02，溅射气压为0. 33Pa，衬底温度为室温，积时间为1. 5小时，得到薄膜厚度为81nm。将此复合结构的薄膜在气压为2 的高纯Ar氛围中600°C原位快速退火8分钟，自然冷却到室温取出。图2显示了实施例1的&iO:Al (683nm)/Zn2SnO4(8lnm)双层复合薄膜透射率图谱， 由图2可见，该复合薄膜在可见光波段透射率达到82% (包含衬底)，并且在近红外波段也具有高的透射率，复合薄膜电阻率可以达到1.6Χ10_3Ω · cm。实施例2 将玻璃衬底清洗干净并用氮气吹干，放入磁控溅射腔室的基片台上。将SiO Al靶 (Al2O3掺杂剂量比为2wt% )和Zn2SnO4靶安装到各自的靶枪上，将溅射腔真空抽至2X 10_4Pa， 然后在玻璃衬底上采用射频磁控溅射技术先生长ZnO:Al薄膜，后生长Zn2SnO4薄膜。ZnOiAl膜层的磁控溅射参数范围设定溅射功率为250W，溅射气体为高纯Ar，溅射气压0. 15Pa，衬底温度为室温，沉积时间2小时，得到薄膜厚度为1006nm。Zn2SnO4膜层的磁控溅射参数范围设定溅射功率为100W，溅射气体为高纯O2，溅射气压为0. 33Pa，衬底温度为室温，积时间为1小时，得到薄膜厚度为Mnm。将此复合结构的薄膜在气压为2Pa的高纯Ar氛围中600°C原位快速退火8分钟，自然冷却到室温取出。图3显示了实施例2的SiO Al (1006nm)/Zn2SnO4 (54nm)双层复合薄膜透射率图谱，由图3可见，该复合薄膜在可见光波段透射率达到80% (包含衬底)，并且在近红外波段也具有高的透射率，复合薄膜电阻率可以达到7.86 X 10_4 Ω · cm。
权利要求
1.一种CdTe太阳能电池的复合透明导电薄膜，其特征在于该复合透明导电薄膜由通过磁控溅射在玻璃衬底上生长的SiOAVZn2SnO4构成，其中SiO:Al由Al2O3掺杂，掺杂剂量比为Iwt% 3wt%。
2.—种CdTe太阳能电池的复合透明导电薄膜的制备方法，其特征在于步骤为A.将玻璃衬底用常规的半导体工艺清洗干净并用氮气吹干，放入磁控溅射腔室的基片台上，将由Al2O3掺杂，掺杂剂量比为lwt% 3衬％的ZnOiAl靶和Zn2SnO4靶安装到各自的靶枪上，将溅射腔真空抽至2 X 10_4Pa，然后在玻璃衬底上先生长SiO: Al薄膜，后生长 Zn2SnO4 薄膜；ZnOiAl膜层的磁控溅射参数范围设定溅射功率为100 250W，溅射气体为高纯Ar， 溅射气压0. 1 0. 3Pa,衬底温度为室温，通过沉积时间来控制薄膜厚度在500 1200nm范围；Si2SnO4膜层的磁控溅射参数范围设定溅射功率为50W 250W，溅射气体为高纯02， 溅射气压为0. 1 0. 4Pa,衬底温度为室温，通过沉积时间来控制薄膜厚度在20 IOOnm范围；B.将上述玻璃/ZnOAVai2SnO4复合结构的薄膜在高纯Ar氛围中原位快速退火5 15分钟，退火气压为1 3Pa，退火温度500 650°C，自然冷却到室温取出。
全文摘要
本发明公开了一种CdTe太阳能电池的复合透明导电薄膜及制备方法，该复合透明导电薄膜由绿色环保的ZnO:Al和Zn2SnO4构成，该方法通过磁控溅射生长及高温快速退火处理形成复合透明导电薄膜。本发明的优点是薄膜材料具有无毒、来源丰富、价格便宜；Zn2SnO4薄膜既能解决电池的有源层与透明导电膜层之间的粘连性差的问题，又能解决CdS带隙太窄的问题，同时还能淡化CdS厚度对电池性能的影响，提高CdTe电池在整个有效波段的量子效率。ZnO:Al、Zn2SnO4结构的复合薄膜具有低电阻率和高透射率，是一种适合CdTe太阳能电池的新型透明导电薄膜。
文档编号H01L31/0216GK102169908SQ201110046949
公开日2011年8月31日 申请日期2011年2月25日 优先权日2011年2月25日
发明者姚娘娟, 朱晓晶, 梁艳, 江锦春, 王善力, 褚君浩, 马建华 申请人:上海太阳能电池研究与发展中心