专利名称：一种用于改善铜铟镓硒薄膜材料表层质量的化学处理方法
技术领域：
本发明属于光伏电池新能源技术领域，涉及一种薄膜材料表面处理方法，具体地，涉及一种用于改善铜铟镓硒薄膜材料表层质量的化学处理方法。
背景技术：
以铜铟镓硒(CIGS)材料作为吸收层的薄膜太阳电池具有高光电转换效率、良好的抗辐射性能等特性，已成为光伏电池领域的研究热点之一。铜铟镓硒薄膜材料是P型半导体，而缓冲层材料(如硫化锌)为η型半导体，二者构成电池的核心部分ρη结。铜铟镓硒材料为多晶化合物材料，由于铜、铟、镓、硒等元素的热扩散系数等具有差异，易于在材料中出现替位缺陷Ineu、Gacu和空位缺陷Veu、Vse等，这些缺陷的浓度将直接影响太阳电池的性能。尤其在CIGS薄膜材料表层(O 30nm深度范围)，这些缺陷如果大量存在，会增加ρη结附近的载流子复合，大幅降低太阳电池效率。迄今为止，为提高CIGS薄膜材料表层质量，钝化上述缺陷，目前所报道的处理方式均是利用缓冲层材料的化学水浴制备工艺进行部分处理，效果不显著。
发明内容
本发明的目的在于提供一种化学溶液处理CIGS薄膜材料表层特性，以改善材料表层质量的方法，在化学溶液中直接浸润CIGS薄膜，对薄膜表层进行化学处理，取得了工艺简单、材料成本低等有益效果。为了达到上述发明目的，本发明提供了一种用于改善铜铟镓硒薄膜材料表层质量的化学处理方法，该方法包含如下具体步骤: 步骤1，酒精溶液处理:将玻璃衬底上涂覆有Mo层和CIGS薄膜的样品放入酒精溶液中浸泡5 lOmin，取出后在3(T50°C下热处理3(T60s ;通过该酒精溶液处理可去除样品表面的氧离子等杂质以及附着的多余的硒元素；
步骤2，化学溶液处理:配制含去离子水、氨水和锌盐的化学处理液,其中,氨水浓度为3mol/L，锌盐浓度为O lX10_2mol/L，其中，锌盐浓度不为O ;将步骤I中采用热处理后的样品，放入上述化学处理液中，经过7-10min浸润后取出样品，用干燥氮气吹干样品表面残留溶液，完成电池吸收层CIGS薄膜材料表层质量的化学处理。该化学处理使得锌离子扩散进入表层、占据Cu空位，修复表面缺陷态，且可形成浅埋结，从而改善CIGS薄膜材料表层质量。进一步地，所述的锌盐为硫酸锌或醋酸锌。上述的用于改善铜铟镓硒薄膜材料表层质量的化学处理方法，其中，所述的酒精溶液中，去离子水与无水乙醇的用量体积比例为1(Γ12:1。上述的用于改善铜铟镓硒薄膜材料表层质量的化学处理方法，其中，在步骤2中，将所配制的化学处理液加热至80°C 90°C (最佳的反应温度为80°C)，使其充分混合溶解。本发明是通过一种化学溶液浸润处理的方法，可以减少表层的杂质，如氧元素，而且锌离子扩散进入表层、占据Cu空位，修复表面缺陷态，且可形成浅埋结，从而改善CIGS薄膜材料表层质量，工艺简单、材料成本低等，非常适合铜铟镓硒薄膜太阳电池的规模化生产。
图1是本发明通过酒精溶液处理样品的装置示意图。图2是本发明通过化学处理溶液浸润处理样品的装置示意图。图3是本发明制备的玻璃衬底铟镓硒薄膜太阳电池部分结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例进一步说明本发明的具体实施方案。实施例1
酒精处理液15为去离子水和无水乙醇按一定比例(约12:1)配制而成，在玻璃容器中搅拌使其充分溶解，将玻璃衬底上涂覆有Mo (即钥)膜和CIGS薄膜的样品14放入酒精处理溶液中，如图1所示，浸泡5 min后取出，将样品在30°C 50°C下热处理30s 60s，得到热处理后的样品18，如图2所示，在玻璃容器中按照一定浓度比例配制去离子水、氨水和硫酸锌的化学处理溶液17，所配制化学处理液中的氨水浓度为3mol/L，调节硫酸锌浓度在0 I X 10_2mol/L之间，且硫酸锌浓度不为O。将热处理后的样品18浸润在化学处理溶液17中，将化学处理溶液17加热至80°C (最佳的反应温度)。保持温度，经过Smin浸润后取出样品，用干燥氮气吹干样品表面残留溶液，即完成电池吸收层CIGS薄膜材料表层质量的化学处理，锌离子得以扩散进表层，占据Cu空位，形成浅埋结，优化了表面质量。玻璃衬底铟镓硒薄膜太阳电池(其结构如图3所示)的制备方法包括如下的步骤: 步骤一，沉积背电极:采用直流磁控溅射在玻璃衬底10上制备Mo薄膜11，Mo膜厚度约
为 0.7 u m 1.0 u m。步骤二，沉积吸收层:采用蒸发法，即对Cu、In、Ga、Se元素进行蒸发反应，在背电极Mo上沉积电池吸收层铜铟镓硒(CIGS)薄膜12 (其具有薄膜表面13)，该CIGS薄膜12的厚度为2.0 ii m 2.5 ii m，蒸发时的衬底温度控制在380°C 580°C ;其中，所述的蒸发法包含以下步骤:第一步，在衬底温度为350°C 380°C时共蒸In、Ga、Se形成(InGa)2Se3预置层(precursor);第二步，将衬底温度升高至550°C 580°C,蒸发Cu、Se形成富Cu的Cu (In，Ga) Se2薄膜；第三步，保持衬底温度不变，共蒸少量的In、Ga、Se形成贫Cu的Cu (In，Ga) Se2薄膜，且薄膜表层包含富In的薄层，从而形成铜铟镓硒(CIGS)薄膜12。步骤三，酒精溶液处理:在玻璃容器中按照一定比例配制去离子水与无水乙醇(约12:1)的酒精处理溶液15，所配制处理溶液中的酒精浓度为8%vol左右。将玻璃衬底上涂覆有Mo层和CIGS薄膜的样品14放入酒精处理溶液15中浸泡5min，取出后在40°C下热处理 40s ；
步骤四，化学溶液处理:在玻璃容器中按照一定浓度比例配制去离子水中、氨水和硫酸锌的化学处理液，所配制的化学处理液中的氨水浓度为3mol/L，调节硫酸锌浓度在0 lX10_2mol/L之间，且硫酸锌浓度不为O。将所配制的化学处理液通过加热装置16加热至80°C，使其充分混合溶解形成化学处理溶液17，将热处理后的样品18置于支架19上，放入化学处理溶液17中，经过8min浸润后取出样品，用干燥氮气吹干样品表面残留溶液，完成电池吸收层CIGS薄膜材料表层质量的化学处理。实施例2
酒精处理溶液15为去离子水和无水乙醇按一定比例(约12:1)配制而成，搅拌使其充分溶解，将玻璃衬底上涂覆有Mo膜和CIGS薄膜的样品14放入酒精处理溶液15中浸泡5min，取出后在40°C下热处理40s ;在玻璃容器中按照一定浓度比例配制去离子水中、氨水和醋酸锌的化学处理溶液17，所配制化学处理溶液中的氨水浓度为3mol/L，调节醋酸锌浓度在O I X 10_2mol/L之间，且醋酸锌浓度不为O。将热处理后的样品18浸润在化学处理溶液17中，经过Smin浸润后取出样品，用干燥氮气吹干样品表面残留溶液，完成电池吸收层CIGS薄膜材料表层质量的化学处理，锌离子得以扩散进表层，占据Cu空位，形成浅埋结，优化了表面质量。玻璃衬底铟镓硒薄膜太阳电池的制备，步骤同实施例1。实施例3
酒精处理液15为去离子水和无水乙醇按一定比例(约10:1)配制而成，搅拌使其充分溶解，将玻璃衬底上涂覆有Mo膜和CIGS薄膜的样品14放入酒精处理溶液中浸泡6min，取出后在40°C下热处理40s ;在玻璃容器中按照一定浓度比例配制去离子水中、氨水和硫酸锌的化学处理溶液17，所配制化学处理液中的氨水浓度为3mol/L，调节硫酸锌浓度在O lX10_2mol/L之间，且硫酸锌浓度不为O。将热处理后的样品18浸润在化学处理液中，将化学处理溶液加热至80°C (最佳的反应温度)。经过Smin浸润后取出样品，用干燥氮气吹干样品表面残留溶液，完成电池吸收层CIGS薄膜材料表层质量的化学处理，锌离子得以扩散进表层，占据Cu空位，形成浅埋结，优化了表面质量。玻璃衬底铟镓硒薄膜太阳电池的制备，步骤同实施例1。实施例4
酒精处理液15为去离子水和无水乙醇按一定比例(约10:1)配制而成，搅拌使其充分溶解，将玻璃衬底上涂覆有Mo层和CIGS薄膜的样品14放入酒精处理溶液中浸泡5min，取出后在40°C下热处理40s ;在玻璃容器中按照一定浓度比例配制去离子水中、氨水和醋酸锌的化学处理溶液17，所配制化学处理液中的氨水浓度为3mol/L，调节醋酸锌浓度在O lX10_2mol/L之间，且醋酸锌浓度不为O。将热处理后的样品18浸润在化学处理液中，将化学处理溶液加热至80°C (最佳的反应温度)。经过Smin浸润后取出样品，用干燥氮气吹干样品表面残留溶液，完成电池吸收层CIGS薄膜材料表层质量的化学处理，锌离子得以扩散进表层，占据Cu空位，形成浅埋结，优化了表面质量。玻璃衬底铟镓硒薄膜太阳电池的制备，步骤同实施例1。由上所述，该发明的特点是提供了一种用于改善铜铟镓硒薄膜材料表层质量的化学处理方法，实现了材料表层质量的改善。该方法具有工艺简单、材料成本低等，非常适合铜铟镓硒薄膜太阳电池的规模化生产。尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
权利要求
1.一种用于改善铜铟镓硒薄膜材料表层质量的化学处理方法，其特征在于，该方法包含如下具体步骤: 步骤1，酒精溶液处理:将玻璃衬底上涂覆有Mo层和CIGS薄膜的样品放入酒精溶液中浸泡5 lOmin，取出后在3(T50°C下热处理3(T60s ； 步骤2，化学溶液处理:配制含去离子水、氨水和锌盐的化学处理液,其中，氨水浓度为3mol/L，调节锌盐浓度在0 lX10_2mol/L之间，且锌盐浓度不为0 ;将步骤I中采用热处理后的样品，浸润在上述化学处理液中，经过7-10min浸润后取出样品，用干燥氮气吹干样品表面残留溶液，完成CIGS薄膜材料表层质量的化学处理。
2.如权利要求1所述的用于改善铜铟镓硒薄膜材料表层质量的化学处理方法，其特征在于，所述的酒精溶液中，去离子水与无水乙醇的用量体积比例为1(T12:1。
3.如权利要求2所述的用于改善铜铟镓硒薄膜材料表层质量的化学处理方法，其特征在于，所述的锌盐为硫酸锌或醋酸锌。
4.如权利要求1或3所述的用于改善铜铟镓硒薄膜材料表层质量的化学处理方法，其特征在于，在步骤2中，将所配制的化学处理液加热至80°C 90°C，使其充分混合溶解。
全文摘要
本发明公开了一种用于改善铜铟镓硒薄膜材料表层质量的化学处理方法，其包含步骤1，将玻璃衬底上涂覆有Mo层和CIGS薄膜的样品放入酒精溶液中浸泡5~10min，取出后在30~50℃下热处理30~60s；步骤2，配制含去离子水、氨水和锌盐的化学处理液，其中，氨水浓度为3mol/L，锌盐浓度为0～1×10-2mol/L，将步骤1中采用热处理后的样品，放入上述化学处理液中，经过7-10min浸润后取出样品，用干燥氮气吹干样品表面残留溶液，完成CIGS薄膜材料表层质量的化学处理。本发明通过化学溶液浸润处理的方法，以减少表层的杂质，使得锌离子扩散进入表层并占据Cu空位，修复表面缺陷态，且可形成浅埋结，从而改善CIGS薄膜材料表层质量，工艺简单，材料成本低，适合铜铟镓硒薄膜太阳电池的规模化生产。
文档编号H01L31/18GK103151429SQ20131010135
公开日2013年6月12日 申请日期2013年3月27日 优先权日2013年3月27日
发明者张德涛, 徐传明, 曹章轶, 吴敏, 张冬冬 申请人:上海空间电源研究所