一种可以提高铜铟镓硒薄膜太阳能电池性能的氧等离子体背电极处理技术.pdf

铜铟镓硒(简称CIGS)薄膜太阳能电池由于其诸多优点，成为最有发展潜力的太阳能电池技术。本发明提出一种技术：在CIGS太阳能电池制备过程中，在沉积CIGS吸收层之前，用氧等离子体处理背电极Mo层表面，在背电极Mo和CIGS吸收层界面，得到一层氧化钼，这层氧化钼可以钝化背电极Mo与CIGS吸收层的界面，抑制载流子在该界面的复合；可以提高Na元素在CIGS吸收层中的扩散浓度；可以帮助控制在CIGS吸收层制备过程中生成的硒化钼层的厚度，从而提高CIGS器件的性能。实践证明，使用本技术制备得到的CIGS太阳能电池，相比没有使用本技术制备的CIGS太阳能电池，其性能得到提高。

权利要求书1.  本专利涉及一种新的技术，即在铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池制备过程中，在制备CIGS吸收层之 前，用氧等离子体处理背电极Mo层表面，这样可以在背电极Mo和CIGS吸收层界面，插入一层氧化 钼，这层氧化钼可以钝化背电极Mo与CIGS吸收层的界面，抑制载流子在该界面的复合；可以提高Na 元素在CIGS吸收层中的扩散浓度；可以帮助控制在CIGS吸收层制备过程中生成的硒化钼层的厚度， 从而提高CIGS器件的性能。 2.  根据权利要求1所述的一种方法来提高CIGS薄膜太阳能电池的性能，其特征在于，在制备CIGS吸收 层之前，用氧等离子体处理背电极Mo层表面，这样在背电极Mo和CIGS吸收层界面，得到一层氧化 钼。 3.  根据权利要求1所述的一种方法来提高CIGS薄膜太阳能电池的性能，其特征在于，在背电极Mo和 CIGS吸收层界面插入的氧化钼层，可以钝化背电极Mo与CIGS吸收层的界面，抑制载流子在该界面的 复合；可以提高Na元素在CIGS吸收层中的扩散浓度；可以帮助控制在CIGS吸收层制备过程中生成的 硒化钼层的厚度，从而提高CIGS器件的性能。 4.  根据权利要求1所述的一种方法来提高CIGS薄膜太阳能电池的性能，其特征在于，在背电极Mo和 CIGS吸收层界面插入氧化钼层以提高CIGS太阳能电池的性能，该氧化钼层的厚度在5-200nm之间。 5.  根据权利要求1所述的一种方法来提高CIGS薄膜太阳能电池的性能，其特征在于，在背电极Mo和 CIGS吸收层界面插入的氧化钼层，除了权利要求1中所述用氧等离子体处理的办法插入上述氧化钼层， 还可以采用磁控溅射，热蒸镀，在氧气或者空气中热退火等等办法得到，凡是在背电极Mo层和CIGS 吸收层之间插入氧化钼层以提高CIGS太阳能电池性能的技术，都包含在本发明的保护范围之内。

说明书一种可以提高铜铟镓硒薄膜太阳能电池性能的氧等离子体背电极处理技术
技术领域
本发明属于太阳能电池领域，涉及到一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池器件。
背景技术
一切能量都来自于能源，人类的生活离不开能源。进入21世纪后，人类目前技术可开发的能源资源已将面临严重不足的危机，特别是当今煤炭、石油和天然气等矿石燃料资源日益枯竭，甚至只能维持几十年。因此，必须寻找可持续的替代新能源。另外，煤炭、石油和天然气等矿石燃料在使用过程中，还会带来一系列的环境问题：全球性的温室效应使得全球气温升高，海平面上升；空气污染；干旱，荒漠化；废气、废物、废液大量排放，造成人类环境的严重污染。
所以寻找清洁的可再生新能源成为当前人类很迫切的任务。在现有的可再生新能源中，太阳能成为最受人们关注的清洁新能源。太阳能具有很多优点，它随处可得，数量巨大；取之不尽，用之不竭；既清洁又安全，无污染，又不会影响生态环境。所以，开发利用太阳能成为世界各国发展清洁新能源的战略决策。
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吸收能力强，稳定性好、抗辐照性能好、效率高、成本低，可以做成柔性组件，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。
现在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20.8％，还有很大的提高空间。影响CIGS效率的一个重要的因素是载流子在界面的复合，会造成光生载流子的损失，为了进一步提高太阳能电池的效率，抑制载流子在界面的复合是一个努力的方向。另外人们发现，在CIGS吸收层中引入合适数量钠(Na)元素可以明显提高电池的性能，所以控制Na的含量，也是制备高效CIGS电池的关键技术。最后在CIGS吸收层制备过程中，背电极Mo层会与过量的硒反应生成硒化钼，硒化钼的厚度会影响器件性能，太薄或者太厚都不好，所以在CIGS太阳能电池制备过程中，如何控制硒化钼 的厚度也是一个关键技术。
本发明提出了一种新的技术，就是在制备CIGS吸收层之前，通过氧等离子体处理背电极钼(Mo)，在背电极钼(Mo)的表面生成一层薄的氧化钼，这层氧化钼既可以钝化金属背电极Mo与CIGS层的界面，抑制载流子在此界面的复合，还可以调节Na元素的扩散浓度，从而提高CIGS太阳能电池的效率。另外还可以通过控制氧化钼的厚度来调节硒化钼的厚度，达到最优的CIGS太阳能电池性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种的方法来抑制载流子在CIGS层和背电极Mo层界面的复合，同时可以调节Na元素在CIGS吸收层的扩散浓度，调节硒化钼层的厚度，从而提高CIGS太阳能电池的效率。为了对本发明的技术做更好的说明，本文中采用常用的CIGS太阳能电池器件结构作为例证(如附图1所示)。器件结构包括：
—衬底(1)；衬底可以是玻璃，也可以是柔性衬底如不锈钢或者塑料，用于承托CIGS器件。
—背电极(2)，常用金属钼(Mo)作为背电极溅射沉积在玻璃衬底(1)上，可以作为正极导出空穴。
—吸收层(3)，CIGS吸收层一般沉积在背电极上，用于吸收入射太阳光。
—缓冲层(4)，常用硫化镉(CdS)作为缓冲层(4)制作在吸收层(3)上，它既可以和p型的CIGS层形成pn结，有可以作为CIGS层与ZnO层的过渡层，能够缓冲晶格失配和能带台阶。
—透明电极(5)，常用高阻氧化锌(IZO)和掺铝氧化锌(AZO)作为透明电极(5)制作在缓冲层(4)上，既可以透过太阳光，又可以收集传输电子，作为太阳能电池的负极。
—金属栅极(6)，常用镍铝(Ni/Al)电极沉积在AZO层上面，可以更有效的收集电子并把电子导出。在实际应用中，大面积的CIGS电池组件产品是不需要金属栅极(6)的，而是用激光刻划的办法在电池组件内部进行串联或者并联，组件表面是看不到金属电极的，这样的组件相比晶硅组件美观大方，更适用于光伏建筑一体化。
本发明的主要技术特点就是在溅射沉积背电极Mo层(2)之后，用氧等离子体对Mo层进行处理，在 处理的过程中在背电极的表面生成一层氧化钼，氧化钼的厚度范围在5-200nm，可以通过等离子体的功率来控制，这层氧化钼的作用在于：
1.相当于在背电极和吸收层CIGS之间引入钝化层，钝化二者界面，从而降低载流子在该界面的复合，提高CIGS太阳能电池性能。
2.在背电极Mo和CIGS吸收层界面的氧元素，可以提高Na元素在电极Mo和CIGS吸收层界面的积累量，从而提高Na元素到CIGS吸收层的扩散能力，提高CIGS太阳能电池性能。
3.通过控制氧等离子体的功率，可以控制氧化钼层的厚度，进而控制CIGS吸收层制备过程中硒化钼的厚度，得到最优的硒化钼层厚度，提高CIGS太阳能电池性能。
综上所述，在制备CIGS吸收层之前，使用氧等离子体处理背电极Mo层表面，可以有效提高CIGS太阳能电池的性能。
附图说明
为进一步说明本发明的内容以及特点，以下结合附图对本发明作详细的描述，并给出具体的实施例证。其中图1是CIGS薄膜太阳能电池的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，以下结合具体的实施例证进行具体说明。
1.将钠钙玻璃衬底在清洗剂中反复清洗，然后再经过去离子水，丙酮和异丙醇溶液浸泡并超声各10-30分钟，最后在烘箱里烘干
2.将清洗好的玻璃衬底放入真空腔室中溅射衬底金属Mo层作为背电极。溅射时工作气压为5mtorr，溅射功率密度1-8W/cm2。
3.背电极Mo层溅射沉积之后，用氧等离子体处理Mo层表面，氧等离子体的功率密度为1-10W/cm2。
4.制备CIGS吸收层(可以采用溅射后硒化，多元共蒸，电镀，溶液法等技术均可)。
5.利用水浴法制备缓冲层。把样品浸入到混合有1-2.5M的氨水，0.001-0.01M的硫酸镉，0.05-0.5M 的硫脲溶液中，再将盛有溶液的容器放入水浴槽加热，调整加热温度和加热时间可以控制硫化镉层的厚度。
6.溅射沉积透明电极高阻氧化锌(IZO)和掺铝氧化锌(AZO)。溅射时工作气压为1-10mtorr，溅射功率密度1-5W/cm2。
7.热蒸发沉积Ni/Al栅极。
实验证明，采用本发明提出的技术所制备的CIGS太阳能电池，相比没有采用本技术制备的CIGS太阳能电池的开路电压，填充因子，和光电转换效率都得到了提高。
以上所述的具体施例，对本发明的目的、技术方案和积极的效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则之内所做的任何修和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。特别是除了本发明中所述用氧等离子体处理的办法在背电极Mo层和CIGS吸收层之间插入上述氧化钼层，也可以通过采用磁控溅射，热蒸镀，在氧气或者空气中热退火等等办法得到，凡是在背电极Mo层和CIGS吸收层之间插入氧化钼层以提高CIGS太阳能电池性能的技术，都包含在本发明的保护范围之内。