[发明专利]一种用于太阳能电池缓冲层CdS薄膜的电子束制备法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于太阳能电池缓冲层CdS薄膜的电子束制备法，属于半导体薄膜材料技术领域。

背景技术

CIGS太阳能电池已经被认为是最有发展空间的太阳能电池。CIGS薄膜太阳能电池的典型结构为Al/MgF2/ZnO/CdS/CIGS/Mo/衬底，并以衬底为支撑。该电池成本低，性能稳定、抗辐射能力强、光电转换效率高、光谱响应范围宽、弱光性好，有可能成为未来光伏电池的主流产品之一。

目前使用最多且得到最高效率的缓冲层是Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体CdS薄膜。在CIGS电池结构中，实验数据显示不加缓冲层CdS，其转换效率只有7％。如果在ZnO和CIGS之间加上缓冲层CdS，则太阳能电池的转换效率达到11％至13％，电池转换效率提高了50％到80％。大大的改善了CIGS太阳能电池的性能。

CdS薄膜的制备可用蒸发法和化学水浴法（CBD）。通常化学水浴法是在溶液中利用化学反应在衬底上沉积薄膜的一种技术。但制备电池器件需要进出真空室，不利于一次成型，并且与电池器件其他结构匹配性和兼容性不够，限制了电池的大规模生产。同时由于CdS能隙偏窄、制备工艺不匹配等因素的制约，限制了电池的大规模应用。因此，目前对缓冲层的研究主要集中在薄膜的制备工艺的研究，因此开发新型的真空条件下沉积CdS薄膜是一种迫切的必要。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种用于太阳能电池缓冲层CdS薄膜的制备方法，是在真空条件下，CdS粉在通电加热到一定温度后升华的方式蒸发沉积到衬底上形成CdS薄膜，以达到电池器件制备全程均是在真空条件下完成，利于一次成型，保证了电池可以大规模生产。本发明方法可以有效克服现有技术中，采用化学水浴法（CBD）存在的制备电池器件需要进出真空室，不利于一次成型，并且与电池器件其他结构匹配性和兼容性不够，限制了电池的大规模生产的弊端。

本发明技术方案是这样实现的：

一种用于太阳能电池缓冲层CdS薄膜的制备方法，其特征在于：在真空条件下，将CdS粉末通电加热后采用升华的方式蒸发沉积到衬底上形成CdS薄膜，具体步骤如下：

A)衬底处理：选择玻璃、不锈钢或者金属箔等材料作为衬底，将其放入50～100℃（如70℃）含有表面活性剂的水溶液中处理2h，再将衬底放在丙酮中超声5～20min（如10min），最后在去离子水中超声10～30min(如10min)，用氮气吹干，放入干燥环境中备用；

B)缓冲层CdS薄膜的制备：采用纯度为99.99％的CdS粉末作为蒸镀材料，将其放入蒸发舟或坩埚作为蒸发源固定于电子束热蒸发设备上，将反应室抽真空至10^-3Pa以下,如4×10^-3Pa，样品衬底温度为20～200℃；控制电流在10～30A之间；CdS粉末蒸发沉积速率为0.1～0.3nm∕s，蒸发时间为5～15min；

C)退火处理：将步骤B)得到的CdS薄膜在100～400℃温度下（如150℃）和氮气或氦气保护气氛下退火处理1～120min（如30min），得到更加致密、均匀且具有更好光电性能的CdS薄膜。

所述的蒸发舟选用钼舟，在钼舟中加放一螺旋状钨丝加热蒸发CdS，达到均匀加热防止热分解。

本发明具有如下优点和积极效果:

本发明在真空条件下将CdS粉通电加热后采用升华的方式蒸发沉积到衬底上形成CdS薄膜，真空热蒸发法成功克服了化学水浴法非真空条件制备CdS薄膜的限制，继承了分子束外延的优点，保证了电池器件各层均是在真空室内完成，提高了电池制作工艺流程之间的兼容性，利于电池器件一次成型，并使电池器件各层更好的匹配与兼容，成膜光滑均匀、致密性好，退火后薄膜的光电性能有显著改善；降低了操作成本且操作简便，适宜工业化生产。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进行详细说明，但本实施例不能用于限制本发明，凡是采用与本发明相同的技术手段或相似变化，均应列入本发明的保护范围。

实施例1：

一种用于硬性衬底的CIGS（铜铟镓硒）薄膜太阳能电池缓冲层CdS薄膜的电子束制备法，具体步骤如下：

A)衬底处理：根据对实验衬底的要求，先将玻璃或者不锈钢放入90℃含有表面活性剂的水溶液中处理2h，再将衬底放在丙酮中超声15min，最后再用去离子水中超声20min，用氮气吹干备用。