一种掺钠铜铟镓硒太阳电池器件及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及薄膜太阳电池技术领域，特别是一种基于聚酰亚胺膜-苏打玻璃复合衬底的掺钠铜铟镓砸太阳电池器件及其制备。
【背景技术】
[0002]铜铟镓砸材料(CIGS)属于1-1I1-VI族四元化合物半导体，具有黄铜矿的晶体结构。铜铟镓砸薄膜太能电池自20世纪70年代出现以来，得到非常迅速的发展，并将逐步实现产业化。此电池有以下特点:①铜铟镓砸的禁带宽度可以在1.04ev-l.67ev范围内调整。②铜铟镓砸是一种直接带隙半导体，对可见光的吸收系数高达15Cm'铜铟镓砸吸收层厚度只需1.5?2.5 μm，整个电池的厚度为3?4 μπι。③抗福照能力强，比较适合作为空间电源。④转换效率高。2010年德国太阳能和氢能研宄中心(ZSW)研制的小面积铜铟镓砸太阳电池转换效率已高达20.3%。⑤弱光特性好。因此铜铟镓砸多晶薄膜太阳电池有望成为下一代太阳电池的主流产品之一。
[0003]航空航天领域需要太阳电池有较高的质量比功率，即希望单位质量的太阳电池能发出更多的电量。对于地面光伏建筑物的曲面造型和移动式的光伏电站等要求太阳电池具有柔性、可折叠性和不怕摔碰，这就促进了柔性太阳电池的发展。由于相对较强的耐高温能力和较为适合的膨胀系数，聚酰亚胺(PI)在其中脱颖而出。
[0004]然而聚酰亚胺的热膨胀系数还是无法与铜铟镓砸材料本身很好的匹配。在温度较高时，聚酰亚胺会产生较大的形变，导致铜铟镓砸薄膜较为疏松，容易脱落。所以，目前基于聚酰亚胺衬底的铜铟镓砸制备时衬底温度较低。从而导致生长出的薄膜结晶质量较差，晶粒细小，缺陷较多，增加了载流子的复合，缩短了少子的寿命，进而影响了电池性能。
[0005]铜铟镓砸薄膜中掺入适量的钠(Na)可使铜铟镓砸太阳电池的性能提高30-50%。在传统苏打玻璃衬底的铜铟镓砸太阳电池的制备中，钠可由衬底向铜铟镓砸吸收层自发扩散而实现Na的掺杂。但是由于聚酰亚胺膜中不含有钠元素，并且其高分子的结构阻止复合衬底中钠进入铜铟镓砸吸收层。因此，向基于聚酰亚胺膜-苏打玻璃复合衬底的铜铟镓砸吸收层薄膜中掺入钠就变得极为重要。
【发明内容】
[0006]有鉴于此，为克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于聚酰亚胺膜-苏打玻璃复合衬底的掺钠铜铟镓砸太阳电池器件及其制备方案，首先将聚酰亚胺胶涂于苏打玻璃表面，固化成聚酰亚胺膜-苏打玻璃复合衬底，其次在其表面依次制备背接触层、铜铟镓砸吸收层、氟化钠预制层、硫化镉缓冲层、透明窗口层和上电极，在完整的铜铟镓砸太阳电池制备完成后，将其与苏打玻璃衬底分离，得到以聚酰亚胺膜为衬底的柔性铜铟镓砸太阳电池。其核心特点为:以钢性衬底制备柔性电池。此种基于聚酰亚胺膜-苏打玻璃复合衬底的铜铟镓砸薄膜附着性优秀，结晶质量好，晶粒大，缺陷少。
[0007]本发明的技术方案:
[0008]一种基于聚酰亚胺膜-苏打玻璃复合衬底的掺钠铜铟镓砸太阳电池器件，其特征在于:其衬底由苏打玻璃及生长于其表面的聚酰亚胺膜构成，其中苏打玻璃的厚度为1.5-2mm，聚酰亚胺膜厚度为25-30 μ m，采用匀胶、固化制备工艺；钼背接触层生长于聚酰亚胺膜-苏打玻璃复合衬底之上，分为高阻层和低阻层，其中高阻层的厚度为80-120nm，低阻层的厚度为600-700nm，采用直流磁控溅射系统制备；铜铟镓砸吸收层生长于氟化钠预制层薄膜之上，化学分子式为CuIrvxGaxSe2,式中x为0.25-0.35，导电类型为P型，厚度为1.5-2 μ m，采用砸化炉薄膜制备系统，应用共蒸发改进型一步法制备工艺；氟化钠预制层薄膜生长于铜铟镓砸吸收层之上，化学分子式为NaF，厚度为20-30nm，采用砸化炉薄膜制备系统，应用共蒸发制备工艺；硫化镉缓冲层生长于铜铟镓砸吸收层表面，化学分子式为CdS，导电类型为η型，厚度为45-50nm，采用化学水浴法制备工艺；透明窗口层生长于硫化镉缓冲层之上，分为高阻本征氧化锌薄膜和低阻氧化锌铝薄膜，导电类型为η型，其中本征氧化锌薄膜的厚度为50-100nm，氧化锌铝薄膜的厚度为0.4-0.6 μ m，分别采用射频磁控溅射制备系统和直流磁控溅射制备系统制备；铝上电极薄膜生长于透明窗口层之上，其后为为0.8-1.5 μm，米用共蒸发制备系统制备。
[0009]聚酰亚胺膜-苏打玻璃复合衬底的制备步骤如下:
[0010]I)对苏打玻璃进行表面清理；
[0011]2)将聚酰亚胺胶涂覆于苏打玻璃表面，采用匀胶工艺进行匀胶；
[0012]3)将匀胶后的样品放入烘箱内进行固化，即可得到聚酰亚胺膜-苏打玻璃复合衬底。
[0013]所述对苏打玻璃表面清洗方法为:①将1cmX 1cm的苏打玻璃放入重铬酸钾溶液(由300克重铬酸钾、3升浓硫酸和300毫升去离子水配置而成的溶液)中浸泡2h ;②之后将苏打玻璃取出用去离子水冲洗将冲洗洁净的苏打玻璃置于浓度为99.5%的丙酮溶液中，放入超声波清洗机中清洗(超声波频率为20-30kHz，时间为20-25min)④将苏打玻璃从丙酮溶液中取出，用去离子水冲洗；⑤将苏打玻璃置于浓度为99.7%的酒精中，放入超声波清洗机中清洗(超声波频率为20-30kHz，时间为20-25min);⑥最后将苏打玻璃从酒精中取出，放入盛有去离子水的烧杯中，放入超声波清洗机中清洗3遍(超声波频率为20-30kHz，时间为 20-25min)。
[0014]所述匀胶工艺的工艺参数为:转速为1300-1500r/min，时间为35_45s。
[0015]所述固化工艺参数为:①烘箱温度于室温25°C升温至125-135?，升温时间为10_15min ;②烘箱温度于125-135 °C维持25_30min ;③烘箱温度于125-135 °C升温至150-160 °C，升温时间为5-10min ;④烘箱温度于150-160 °C维持10_15min 烘箱温度于150-160°C升温至200-210°C，升温时间为5_10min ;⑥烘箱温度于200-210°C维持15-20min ;⑦烘箱温度于200-210 °C升温至250-260 °C，升温时间为5_10min 烘箱温度于250-260°C维持15-20min ;⑨烘箱温度于250-260 °C升温至340-350 °C，升温时间为5-10min ;⑩烘箱温度于340_350°C维持10_15min，之后缓慢降温至室温。
[0016]钼背接触层的制备步骤如下:
[0017]在直流磁控溅射沉积系统的沉积室中，以纯度为99.99%的Mo为靶材，采用射频磁控溅射制备系统在衬底表面分别沉积一层高阻和低阻的钼薄膜。
[0018]所述在衬底表面沉积一层高阻薄膜的工艺参数为:本底真空:3.0X10_4Pa，工作气压为l_2Pa，衬底温度为室温25-50°C，射频功率为500_700W，Ar气流量为30-50sccm，基靶行走速度为4-6mm/s，沉积时间(基靶的往复次数)为2_4次。
[0019]所述在衬底表面沉积一层低阻薄膜的工艺参数为:工作气压为0_0.5Pa，衬底温度为室温25-50 °C，射频功率为1500-2000W，Ar气流量为15-20sccm，基靶行走速度为
4-6mm/s，沉积时间(基靶的往复次数)为4_6次。
[0020]铜铟镓砸吸收层薄膜的制备步骤如下:
[0021]I)本底真空为3.0\10-4?&，衬底温度为350-400°0，共蒸发111、6&、36高6&含量预制层，其中In蒸发源温度为820-850°C，Ga蒸发源温度为920-950°C，Se蒸发源温度为240-280°C，蒸发时间为 2-3min，控制原子比例 In: Ga = 0.3: 0.7，(In+Ga)/Se = 2: 3 ；
[0022]2)衬底温度为550-580 °C，共蒸发Cu、In、Ga、Se，其中Cu蒸发源温度为1120-1160°C，In蒸发源温度为850-900°C，Ga蒸发源温度为880_920°C，Se蒸发源温度为240-280 °C，蒸发时间为 25-30min ；
[0023]3)将衬底冷却，当蒸发Se的同时将衬底冷却到350°C时的衬底温度时，关闭Se蒸发源，再将衬底冷却到室温。
[0024]氟化钠预置层薄膜的制备步骤如下:
[0025]I)本底真空为8.0X10_4Pa，衬底温度为200-300°C，共蒸发NaF预置层，其中NaF蒸发源的温度为800-850°C，蒸发时间为l-2min。
[0026]2)衬底温度为400_450°C，在Se气氛下进行退火，其中Se蒸发源的温度为240-280 0C，退火时间为 20-30min。
[0027]硫化镉缓冲层的制备步骤如下:
[0028]I)配置溶液，制备硫脲SC (NH2) 2溶液1L，浓度为0.01mol/L ;醋酸镉(CH 3C00) 2Cd和醋酸氨CH3COONHJg合溶液1L，其中醋酸镉溶液浓度为0.001mol/L,醋酸氨溶度为0.003mol/L ;氨水 NH3.H2O 溶度为 1.3X l(T3mol/L。
[0029]2)配置反应溶液1L，取第一步中所配置的各种溶液；其中硫脲溶液25mL，醋酸镉和醋酸氨混合溶液25mL，氨水溶液4滴。搅拌均匀。
[0030]3)将样品放入烧杯中，并将烧杯放入水浴锅内。水浴温度设置为78-80°C，制备时间为 50-60min。
[0031]4)制备完成后，将样品用去离子水冲洗干净。