专利名称：柔性衬底铜铟镓硒太阳电池的非真空碱金属掺杂方法
技术领域：
本发明涉及光伏太阳电池的制造方法，尤其是柔性衬底铜铟镓硒太阳电池的非真空碱金属掺杂方法。
背景技术：
以铜铟镓硒薄膜作为吸收层的薄膜太阳电池具有较高的光电转换效率和良好的抗辐射性能，成为光伏电池领域的研究热点之一。柔性衬底铜铟镓硒(CIGS)太阳电池因具有重量轻、高重量比功率、适于大规模卷对卷生产的优势，在空间和地面都有着非常广泛的应用前景。近年来在材料、工艺及器件性能的实验与理论等方面的研究取得了相当快的进展，特别是吸收层工艺、设备改良等关键技术的突破，以及转换效率指标的不断创新。然而因为材料特性、制备工艺的差异，柔性衬底CIGS太阳电池的转换效率通常低于玻璃衬底电池。为了提高柔性衬底CIGS太阳电池的转换效率，需要对CIGS吸收层进行改性处理。在CIGS吸收层中掺入碱金属(如钠元素)是一种十分有效的方法。通过精确控制碱金属元素的含量，可以提高电池的开路电压和填充因子，使得电池的转换效率增加30%-50%。经过研究发现，在CIGS薄膜中掺入碱金属钠(Na)元素，可以改变薄膜的载流子浓度、结构取向、颗粒大小等性能。Na元素可以有效地减少CIGS薄膜中Inai替位缺陷和Se空位的数量，显著增加空穴的浓度，降低薄膜的电阻。迄今为止，运用于柔性CIGS电池的Na掺杂工艺主要包括:在柔性衬底上溅射碱-硅酸盐玻璃薄膜、在柔性衬底上溅射掺Na的Mo背电极、在Mo背电极上蒸发Na化合物薄膜、在CIGS薄膜上蒸发Na化合物薄膜等，其中一般采用NaF、Na2S和Na2Se作为Na化合物薄膜。然而目前所报道的碱金属掺杂方式均是采用高真空沉积的方式，随着电池面积的增大，对制备工艺和真空设备等的要求极为苛刻，需要很大的设备投资，生产成本高，均匀性控制的难度也非常大。目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。
发明内容
为了解决现有技术的碱金属掺杂方式均是采用高真空沉积的方式，随着电池面积的增大，对制备工艺和真空设备等的要求极为苛刻、设备投资大、生产成本高、均匀性控制难度大等问题，本发明的目的在于提供一种柔性衬底铜铟镓硒太阳电池的非真空碱金属掺杂方法。利用本发明，可以在非真空条件下，实现柔性衬底铜铟镓硒太阳电池的碱金属掺杂。为了达到上述发明目的，本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种柔性衬底铜铟镓硒太阳电池的非真空碱金属掺杂方法，包括如下步骤:步骤一、制备带有Mo背电极的衬底；采用直流磁控溅射方法，在20 100 μ m厚度的金属箔或聚酰亚胺柔性衬底上溅射双层Mo薄膜，分别控制Ar气为1.0Pa或0.25Pa，Mo层总厚度为0.7 1.0 μ m ;步骤二、配制碱金属处理溶液；在去离子水中加入有机溶液甲醇和乙二醇，按照1: 2: I的比例配制成混合溶液，再在混合溶液中加入NaF化合物，通过搅拌，使其充分溶解，配制成浓度为0.05wt.0A Iwt.%的化学处理溶液；步骤三、碱金属掺杂；将步骤一制备的带有Mo背电极的衬底样品浸入步骤二配制的处理溶液中，经过30秒 10分钟后取出样品，待样品表面的水分去除后，在Mo膜上沉积了一层Na化合物薄膜。上述步骤二可以是浓度为lwt.% 5wt.%的化学处理溶液。还可以是:处理溶液为去离子水和丙酮、乙醇按照1:1:1配制的混合液，在混合溶液中加入NaF化合物，配制成浓度为0.05wt.% 5wt.%的化学处理溶液。还可以是:在混合溶液中加入Na2S化合物，通过搅拌，使其充分溶解，配制成浓度为0.05wt.5wt.%的化学处理溶液。本发明柔性衬底铜铟镓硒太阳电池的非真空碱金属掺杂方法，由于采取上述的技术方案，在非真空条件下通过化学方法，在柔性衬底上沉积钠化合物薄膜，缩短了制备时间，简化了工艺步骤，成功实现CIGS薄膜的碱金属掺杂，有效的提高柔性铜铟镓硒太阳电池的转换效率。在CIGS薄膜吸收层上成功沉积碱金属薄膜的基础上，避免了复杂繁琐的高真空工艺，简化了制备流程，降低了生产成本。因此，本发明取得了工艺简便、生产成本低、光电转换效率高、无污染等有益效果。由于本发明避免了复杂繁琐的高真空工艺，非常适合未来柔性铜铟镓硒太阳电池的大规模生产。
图1是本发明柔性衬底铜铟镓硒太阳电池的非真空碱金属掺杂方法示意图；图2是本发明制得的碱金属NaF薄膜(处理溶液浓度为3wt.% )沉积在带Mo薄膜的柔性衬底上的电子显微镜照片；图3是本发明制得的碱金属NaF薄膜(处理溶液浓度为0.5wt.% )沉积在带Mo薄膜的柔性衬底上的电子显微镜照片；图4是本发明制得的碱金属Na2S (处理溶液浓度为lwt.% )薄膜沉积在带Mo薄膜的柔性衬底上的电子显微镜照片。
具体实施例方式下面结合
本发明的优选实施例。实施例1 ;图1是本发明柔性衬底铜铟镓硒太阳电池的非真空碱金属掺杂方法的工艺示意图，如图1的实施例所示，处理溶液11为去离子水和甲醇、乙二醇按照一定比例(I: 2: I)配制的混合液，并在该混合溶液中加入NaF化合物,通过搅拌,使其充分溶解，配制成不同浓度(0.05wt.% lwt.% )的化学处理溶液；带有已沉积Mo薄膜的柔性衬底10浸入处理溶液中，经过30秒 10分钟的浸泡后取出样品，去除样品表面的水分后，Na化合物薄膜沉积完成。
根据本发明，柔性衬底铜铟镓硒太阳电池的非真空碱金属掺杂方法包括如下具体的步骤:步骤一、制备带有Mo背电极的衬底；采用直流磁控溅射方法，在20 100 μ m厚度的金属箔或聚酰亚胺柔性衬底上溅射双层Mo薄膜，分别控制Ar气为1.0Pa或0.25Pa，Mo层总厚度为0.7 1.0 μ m。步骤二、配制碱金属处理溶液；碱金属处理溶液11的配制方法包括:在去离子水加入有机溶液甲醇和乙二醇，按照1: 2:1的比例配制成混合溶液，再在混合溶液中加入NaF化合物，通过搅拌，使其充分溶解，配制成浓度为3wt.%的化学处理溶液11。步骤三、碱金属掺杂；将步骤一制备的带有Mo背电极的衬底11浸入步骤二配制的处理溶液11中，经过30秒 10分钟后取出样品，待样品表面的水分去除后，在Mo膜上沉积了一层Na化合物薄膜。图2即为本发明制得的碱金属NaF薄膜沉积在带Mo薄膜的柔性衬底上的电子显微镜照片。实施例2应用本发明柔性衬底铜铟镓硒太阳电池的非真空碱金属掺杂方法的工艺过程如图1所示，处理溶液11为去离子水和甲醇、乙二醇按照一定比例(I: 2: I)配制的混合液，并在该混合溶液中加入NaF化合物，通过搅拌，使其充分溶解,配制成不同浓度(lwt.% 5wt.% )的化学处理溶液；带有已沉积Mo薄膜的柔性衬底10浸入处理溶液中，经过一段时间(30秒 10分钟)的浸泡后取出样品，去除样品表面的水分后，Na化合物薄膜沉积完成。根据本实施例，上述步骤二、配制碱金属处理溶液，可以是，在混合溶液中加入NaF化合物，通过搅拌，使其充分溶解，配制成浓度为lwt.% 5wt.%的化学处理溶液。其余步骤同实施例1。实施例3应用本发明方法柔性铜铟镓硒太阳电池非真空碱金属掺杂方法的处理工艺如图1所示，处理溶液11为去离子水和丙酮、乙醇按照一定比例(I: I: I)配制的混合液，并在该混合溶液中加入NaF化合物,通过搅拌,使其充分溶解,配制成不同浓度(0.05wt.Yo 5wt.% )的化学处理溶液。图3是本发明制得的碱金属NaF薄膜(处理溶液浓度为
0.5wt.% )沉积在带Mo薄膜的柔性衬底上的电子显微镜照片。根据本实施例，上述步骤二、配制碱金属处理溶液，可以是，处理溶液11为去离子水和丙酮、乙醇按照比例1:1:1配制的混合液，在混合溶液中加入NaF化合物，通过搅拌，使其充分溶解，配制成浓度为0.05wt.% 5wt.%的化学处理溶液。其余步骤同实施例1o实施例4应用本发明方法建立的柔性铜铟镓硒太阳电池非真空碱金属掺杂处理工艺如图1所示，处理溶液11为去离子水和甲醇、乙二醇按照一定比例(I: 2: I)配制的混合液，并在该混合溶液中加入Na2S化合物,通过搅拌,使其充分溶解,配制成不同浓度(0.05wt.Yo 5wt.%)的化学处理溶液；带有已沉积Mo薄膜的柔性衬底10浸入处理溶液中，经过一段时间(30秒 10分钟)的浸泡后取出样品，去除样品表面的水分后，Na化合物薄膜沉积完成。图4是本发明制得的碱金属Na2S (处理溶液浓度为lwt.% )薄膜沉积在带Mo薄膜的柔性衬底上的电子显微镜照片。根据本实施例，上述步骤二、配制碱金属处理溶液，可以是，在混合溶液中加入Na2S化合物，通过搅拌，使其充分溶解，配制成浓度为0.05wt.% 5wt.%的化学处理溶液。其余步骤同实施例1。由上所述，本发明的特征是开发了一种低成本的非真空处理技术，通过化学方法沉积Na化合物薄膜，实现CIGS薄膜的碱金属掺杂。通过精确控制碱金属元素的含量，改变薄膜特性，提高电池的开路电压和填充因子，有效提高柔性铜铟镓硒太阳电池的转换效率。该技术具有成本低、工艺重复性好等优点，避免了复杂繁琐的高真空工艺，非常适合未来柔性铜铟镓硒太阳电池的大规模生产。
权利要求
1.一种柔性衬底铜铟镓硒太阳电池的非真空碱金属掺杂方法，其特征在于，该方法包括如下步骤: 步骤一、制备带有Mo背电极的衬底； 采用直流磁控溅射方法，在20 100 μ m厚度的金属箔或聚酰亚胺柔性衬底上溅射双层Mo薄膜，分别控制Ar气为1.0Pa或0.25Pa，Mo层总厚度为0.7 1.0 μ m ; 步骤二、配制碱金属处理溶液； 在去离子水中加入有机溶液甲醇和乙二醇，按照1: 2: I的比例配制成混合溶液，再在混合溶液中加入NaF化合物，通过搅拌，使其充分溶解，配制成浓度为0.05wt.% Iwt.%的化学处理溶液； 步骤三、碱金属掺杂； 将步骤一制备的带有Mo背电极的衬底样品浸入步骤二配制的处理溶液中，经过30秒 10分钟后取出样品，待样品表面的水分去除后，在Mo膜上沉积了一层Na化合物薄膜。
2.如权利要求1所述的非真空碱金属掺杂方法，其特征在于:所述的步骤二、配制碱金属处理溶液，可以是:在混合溶液中加入NaF化合物，通过搅拌，使其充分溶解，配制成浓度为lwt.% 5wt.%的化学处理溶液。
3.如权利要求1所述的非真空碱金属掺杂方法，其特征在于:所述的步骤二、配制碱金属处理溶液，可以是:处理溶液为去离子水和丙酮、乙醇按照1:1:1配制的混合液，在混合溶液中加入NaF化合物，通过搅拌，使其充分溶解，配制成浓度为0.05wt.% 5wt.%的化学处理溶液。
4.如权利要求1所述的非真空碱金属掺杂方法，其特征在于:所述的步骤二、配制碱金属处理溶液，可以是:在混合溶液中加入Na2S化合物，通过搅拌，使其充分溶解，配制成浓度为0.05wt.% 5wt.%的化学处理溶液。
全文摘要
本发明涉及光伏太阳电池，公开了一种柔性衬底铜铟镓硒太阳电池的非真空碱金属掺杂方法。包括步骤一、制备带有Mo背电极的衬底；二、配制碱金属处理溶液；三、碱金属掺杂。本发明解决了现有技术的碱金属掺杂方式均是采用高真空沉积的方式，需要很大的设备投资，生产成本高，均匀性控制难度大等问题，取得了工艺简便、生产成本低、光电转换效率高、无污染等有益效果。
文档编号H01L31/18GK103077998SQ20111033185
公开日2013年5月1日 申请日期2011年10月26日 优先权日2011年10月26日
发明者吴敏, 曹章轶, 徐传明, 钱峰伟 申请人:上海空间电源研究所