铜铟镓硒薄膜太阳能电池铜钼合金背电极及其制备方法与流程

本发明涉及薄膜太阳能电池技术领域，具体是一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池铜钼合金背电极及其制备方法。

背景技术：

在现有的太阳能电池技术中，铜铟镓硒（简称cigs）薄膜太阳能电池具有光电转化率高、弱光性能好、成本低，既可以在硬质衬底，如玻璃上成膜做成刚性组件，又可以在柔性衬底上，如不锈钢、铝和耐高温高分子材料上做成柔性组件，最适合作为光伏建筑一体化（bipv）使用等优点，受到了人们关注，是一种很有发展潜力的太阳能电池技术。

cigs薄膜太阳能电池的理论最高效率为33％，而现在实验室可以做到的最高效率才达到21.7％，还有很大的提升空间。cigs薄膜太阳能电池制备方法很多，目前主流工艺有二种：一种是先在背电极/衬底基片上采用磁控溅射的方法沉积铜铟镓cig金属预制层，然后采用预沉积硒或在硒化氢环境中快速升温热处理的方法进行硒化，形成cigs吸收层；另一种是在高温背电极/衬底基片上采用磁控溅射或共蒸的方法同时沉积铜、铟、镓、硒四种元素，以生成cigs吸收层薄膜。作为铜铟镓硒的背电极，必须具备以下条件：

一、具有一定的化学反应惰性，以抵抗cigs薄膜高温硒化过程中硒对背电极的腐蚀；

二、具有较高的电导率，保证cigs背电极以最薄的膜层获得最好的导电性能；

三、具有同p型cigs薄膜形成良好欧姆接触的能力，降低界面处的少子（电子）复合率，提高cigs薄膜电池光电转化率；

四、具有阻挡能力，以阻止衬底表面的杂质高温硒化过程中扩散进入cigs吸收层；

五、具有高的光反射率，将没有吸收的太阳光反射回cigs光吸收层薄膜中，从而最大程度地降低光的损失。

在所有金属材料中，钼能最大限度地满足上述条件，是目前使用最广泛的铜铟镓硒薄膜电池背电极材料。由于钼的熔点高，为2623℃，用蒸发技术很难沉积，磁控溅射法的沉积速率高、薄膜均匀、附着力好，是当今沉积mo薄膜的可靠技术，用作背电极的钼薄膜厚度一般在300～500nm之间。但是钼作为稀有金属之一，有一系列缺点：钼的导电性相对较差，原材料成本相对较高,磁控溅射速率也相对较慢。

铜，作为最常见的金属之一，具有一系列钼不具备的优点，导电性是钼的三倍，材料成本不到钼的1/4，磁控溅射沉积速度是钼的2倍。但是将铜作为背电极材料，具有以下缺点：一、铜的化学反应稳定性差，在cigs高温硒化过程中容易被se腐蚀，生成cuse，失去背电极导电性的作用；二、不能有效阻挡基底表面杂质的扩散，这些杂质在cigs高温硒化过程中扩散到达cigs薄膜，影响cigs薄膜性能；三、cu向cigs薄膜扩散，使得cigs薄膜原子比失调，严重影响cigs薄膜的光电性能。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池铜钼合金背电极及其制备方法，能够确保背电极金属导电层在铜铟镓硒薄膜高温硒化过程中保持稳定，同时背电极与铜铟镓硒薄膜形成良好欧姆接触。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

铜铟镓硒薄膜太阳能电池铜钼合金背电极，包括由下至上依次层叠设置的衬底、杂质阻挡层、金属导电层与硒阻挡层；

所述杂质阻挡层为为硅氧化物、硅氮化物、硅氮氧化物、ti、zr、cr、v、nb、ta或ni；

所述金属导电层为cu或cu合金；

所述硒阻挡层为单阻挡层或复合阻挡层，单阻挡层为钼、氧化钼或氮化钼，复合阻挡层由钼、氧化钼、氮化钼的两种或两种以上层叠构成。

进一步的，所述衬底为玻璃基板、柔性不锈钢基板或耐高温高分子基板。

进一步的，所述杂质阻挡层的厚度为20～120nm。

进一步的，所述金属导电层的厚度为100～300nm。

进一步的，所述硒阻挡层的厚度为50～160nm。

本发明还提供一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池铜钼合金背电极的制备方法，包括以下步骤：

s1、采用磁控溅射在衬底上沉积由硅氧化物、硅氮化物、硅氮氧化物、ti、zr、cr、v、nb、ta或ni构成的杂质阻挡层；

s2、在杂质阻挡层表面磁控溅射沉积由cu或cu合金构成的金属导电层；

s3、在金属导电层表面磁控溅射沉积硒阻挡层，得到本发明的铜铟镓硒薄膜太阳能电池铜钼合金背电极。

进一步的，所述磁控溅射的工作气体为氩气，反应气体为氮气与氧气。

本发明的有益效果是：在以铜或铜合金为金属导电层的铜铟镓硒薄膜太阳能电池背电极中引入杂质阻挡层与硒阻挡层，杂质阻挡层能够阻止衬底中的杂质向铜铟镓硒薄膜光吸收层扩散，使铜铟镓硒晶体结构达到最佳，同时增加衬底和金属导电层之间的结合力；硒阻挡层能够阻止在高温硒化或铜铟镓硒高温共沉积过程中硒元素向金属导电层的扩散，避免了硒和金属导电层之间的反应，确保金属导电层在铜铟镓硒光吸收层生成过程中的稳定性，另外，硒阻挡层表面在高温硒化或铜铟镓硒高温共沉积过程中与铜铟镓硒薄膜反应生成硒化物，从而与铜铟镓硒薄膜形成良好欧姆接触。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1是本发明铜铟镓硒薄膜太阳能电池铜钼合金背电极的结构示意图；

图2是本发明铜铟镓硒薄膜太阳能电池的结构示意图。

具体实施方式

实施例一

如图1所示，本发明提供铜铟镓硒薄膜太阳能电池铜钼合金背电极，包括由下至上依次层叠设置的衬底1、杂质阻挡层2、金属导电层3与硒阻挡层4；

衬底1采用玻璃基板、柔性不锈钢基板或耐高温高分子基板；

杂质阻挡层2为sin，杂质阻挡层2的厚度为20～80nm；

金属导电层3为cu或cu合金，金属导电层3的厚度为100～300nm；

硒阻挡层4包含相层叠的下阻挡层4a与上阻挡层4b，下阻挡层4a与上阻挡层4b构成复合阻挡层，下阻挡层4a为钼，上阻挡层4b为氮化钼；硒阻挡层4的厚度为50～160nm。

结合图2所示，本发明还提供一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池铜钼合金背电极的制备方法，包括以下步骤：

s1、采用3mm厚度的应变点玻璃作为衬底1，对衬底1经过清洗液擦洗和自来水漂洗后，用去离子水、异丙醇溶液浸泡并超声各10～30分钟，最后经氮气吹干；

将清洗好的衬底1放入安装有si靶的磁控溅射真空腔室内，采用磁控反应溅射工艺在衬底1表面沉积sin薄膜，sin薄膜即为杂质阻挡层2，溅射时工作气压为3mtorr，溅射功率密度为8～15w/cm²，工作气体氩气、氮气与氧气之间的体积比为ar/n2/o2=5/5/1，杂质阻挡层2厚度为80nm；

s2、将沉积杂质阻挡层2的衬底1置于安装有cu靶的磁控溅射真空腔室内,采用磁控溅射工艺，在杂质阻挡层2表面沉积由cu构成的金属导电层3；溅射时，工作气压为3mtorr，溅射功率密度为3～8w/cm²，金属导电层3的厚度为120nm；

s3、将沉积金属导电层3的衬底1置于安装有mo靶的磁控溅射真空腔室内，采用直流磁控溅射的工艺在金属导电层3表面溅射沉积由mo构成的下阻挡层4a，溅射时工作气压为3mtorr，溅射功率密度为3～8w/cm²，下阻挡层4a的厚度为20nm；

然后再采用磁控反应溅射工艺在下阻挡层4a表面沉积氮化钼薄膜，氮化钼薄膜构成上阻挡层4b；溅射时工作气压为5mtorr，溅射功率密度为8～15w/cm²，氩气与氮气之间的体积比为ar/n2/=5/12，上阻挡层4b的厚度为45nm；

至此，完成本发明铜铟镓硒薄膜太阳能电池铜钼合金背电极。

接着在该背电极上制备铜铟镓硒光吸收层，具体步骤为：

s4、将步骤s3得到的背电极，经过去离子水，丙酮和异丙醇溶液浸泡并超声各10～30分钟，最后经氮气吹干；

s5、将洁净的背电极衬底放入铜、铟、镓、硒共蒸真空腔体中，将沉积有背电极的衬底加热到570℃；

s6、通过控制铜、铟、镓、硒的蒸发速度，共沉积铜铟镓硒光吸收层5，最终得到铜铟镓硒薄膜太阳能电池。

实施例二

如图1所示，本发明提供铜铟镓硒薄膜太阳能电池铜钼合金背电极，包括由下至上依次层叠设置的衬底1、杂质阻挡层2、金属导电层3与硒阻挡层4；

衬底1采用玻璃基板、柔性不锈钢基板或耐高温高分子基板；

杂质阻挡层2为过渡金属ti、zr、cr、v、nb、ta或ni，本实施例采用ti，

杂质阻挡层2的厚度为20～120nm；

金属导电层3为cu或cu合金，本实施例采用cumo合金，mo原子比为20～50%之间，作为优选的，本实施例采用mo原子比为20%的cumo合金作为金属导电层3，厚度为100～500nm。

硒阻挡层4包含相层叠的下阻挡层4a与上阻挡层4b，下阻挡层4a与上阻挡层4b构成复合阻挡层，下阻挡层4a为氮化钼，上阻挡层4b为钼；硒阻挡层4的厚度为30～80nm。

结合图2所示，本发明还提供一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池铜钼合金背电极的制备方法，包括以下步骤：

s1、采用3mm厚度的应变点玻璃作为衬底1，对衬底1经过清洗液擦洗和自来水漂洗后，用去离子水、异丙醇溶液浸泡并超声各10～30分钟，最后经氮气吹干；

将清洗好的衬底1放入安装有ti靶的磁控溅射真空腔室内，采用直流磁控溅射工艺在衬底1表面溅射沉积由ti构成的杂质阻挡层2，溅射时，工作气压为3mtorr，溅射功率密度为3～8w/cm²，杂质阻挡层2的厚度为20nm；

s2、将沉积杂质阻挡层2的衬底1置于安装有钼铜靶的磁控溅射真空腔室内,钼铜靶的mo原子比优选为20%，采用直流磁控溅射工艺，在杂质阻挡层2表面沉积由cumo合金构成的金属导电层3；溅射时，工作气压为3mtorr，溅射功率密度为3～8w/cm²，金属导电层3的厚度为160nm；

s3、将沉积金属导电层3的衬底1置于安装有mo靶的磁控溅射真空腔室内，采用磁控反应溅射的工艺在金属导电层3表面溅射沉积氮化钼薄膜，氮化钼薄膜构成下阻挡层4a，溅射时工作气压为5mtorr，溅射功率密度为8～15w/cm²，氩气与氮气之间的体积比为ar/n2=5/12，下阻挡层4a的厚度为30nm；

然后再采用直流磁控溅射工艺在下阻挡层4a表面沉积由mo构成的上阻挡层4b；溅射时工作气压为3mtorr，溅射功率密度为3～8w/cm²，上阻挡层4b的厚度为20nm；

至此，完成本发明铜铟镓硒薄膜太阳能电池铜钼合金背电极。

接着在该背电极上制备铜铟镓硒光吸收层，具体步骤为：

s4、将步骤s3得到的背电极，经过去离子水，丙酮和异丙醇溶液浸泡并超声各10～30分钟，最后经氮气吹干；

s5、将洁净的背电极衬底放入铜、铟、镓、硒共蒸真空腔体中，将沉积有背电极的衬底加热到570℃；

s6、通过控制铜、铟、镓、硒的蒸发速度，共沉积铜铟镓硒光吸收层5，最终得到铜铟镓硒薄膜太阳能电池。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。