CDTE薄膜太阳能电池制备方法.pdf

本发明公开了一种CdTe薄膜太阳能电池制备方法，CdTe薄膜采用近空间升华法在透明导电玻璃上制备CdS/CdTe电池，Ni背电极采用磁控溅射获得，首先进行透明玻璃衬底预处理；制备In2O3∶F透明导电薄膜；在制备好的透明导电薄膜上使用近空间升华法生长CdS薄膜；在制备好的CdS薄膜上使用近空间升华法生长CdTe薄膜，用CdCl2对薄膜进行退火处理，使CdS/CdTe界面重组；使用磁控溅射仪在CdTe表面溅射Ni背电极，在高温下退火形成欧姆接触；获得高效CdTe薄膜太阳能电池；其中，所述磁控溅射仪和近空间升华炉通过插板阀连接，并由磁力机械手进行样品传递，上述步骤从玻璃衬底进入预处理室后，全部工序都在真空环境下自动完成。

1.  一种CdTe薄膜太阳能电池制备方法，所述的CdTe薄膜采用近空间升华法在透明导电玻璃上制备CdS/CdTe电池，Ni背电极采用磁控溅射获得，其特征在于：
a.透明玻璃衬底预处理；
b.制备In₂O₃:F透明导电薄膜；
c.在制备好的透明导电薄膜上使用近空间升华法生长CdS薄膜；
d.在制备好的CdS薄膜上使用近空间升华法生长CdTe薄膜，用CdCl₂对薄膜进行退火处理，使CdS/CdTe界面重组；
e.使用磁控溅射仪在CdTe表面溅射Ni背电极，在高温下退火形成欧姆接触；
f.获得高效CdTe薄膜太阳能电池；
其中，所述磁控溅射仪和近空间升华炉通过插板阀连接，并由磁力机械手进行样品传递，上述步骤从玻璃衬底进入预处理室后，全部工序都在真空环境下自动完成。

2.  根据权利要求1所述的CdTe薄膜太阳能电池制备方法，其特征在于：
所述步骤a中透明玻璃衬底预处理是指采用透明玻璃作为沉积衬底，采用丙酮超声清洗5～15min，以去除表面的油脂，然后去离子水超声清洗10～20min去除玻璃表面杂质；最后将玻璃烘干后放入预处理室，使用等离子体对玻璃衬底进行清洗。

3.  根据权利要求1所述的CdTe薄膜太阳能电池制备方法，其特征在于：
所述步骤b中制备In₂O₃:F透明导电薄膜是指通过磁控溅射仪在透明玻璃上溅射一层厚度为200～300nm的高导电层，采用高纯In₂O₃靶，溅射室通入95％Ar气和5％CHF₃，溅射气压保持在0.3～0.5Pa。

4.  根据权利要求1所述的CdTe薄膜太阳能电池制备方法，其特征在于：
所述步骤c中在制备好的透明导电薄膜上使用近空间升华法生长CdS薄膜是指在石英坩锅中加入高纯CdS粉末，通过红外卤素灯将升华源加热至520～580℃，衬底温度为480～500℃，通入50％Ar和50％O₂，源与衬底距离为2～4mm，在衬底上生长一层厚度为70～100nm的CdS缓冲层。

5.  根据权利要求1所述的CdTe薄膜太阳能电池制备方法，其特征在于：
所述步骤d中在制备好的CdS薄膜上使用近空间升华法生长CdTe薄膜是指在石英坩锅中加入高纯CdTe粉末，通过红外卤素灯将升华源加热至560～600℃，衬底温度为480～520℃，通入Ar，源与衬底距离为1～5mm，在制备好CdS薄膜的玻璃衬底上生长一层厚度为2～6μm的CdTe吸收层；此后在制备好的CdTe薄膜上溅射300～400nmCdCl₂，Ar气保护下450℃退火15～20min。

6.  根据权利要求1所述的CdTe薄膜太阳能电池制备方法，其特征在于：
所述步骤e中使用磁控溅射仪在CdTe表面制备Ni背电极是指：通过磁控溅射仪在经退火处理之后的CdTe薄膜上溅射Ni电极，并在Ar气保护下400℃退火1小时，使之形成良好的欧姆接触。

CdTe薄膜太阳能电池制备方法
技术领域：
本发明涉及的是一种基于CdTe薄膜太阳能电池的制造方法，属于无机化合物能源材料制造领域。
背景技术：
随着当今世界人口和经济的增长、能源资源的日益匮乏、环境的日益恶化以及人们对电能的需求量越来越大，太阳能的开发和利用已经在全球范围内掀起了热潮。这非常有利于生态环境的可持续发展，造福子孙后代，因此世界各国竞相投资研究开发太阳能电池。太阳能是一种洁净、无污染、取之不尽用之不竭的自然能源，人类赖以生存的自然资源几乎全部转换于太阳能，将太阳能直接转换为电能是大规模利用太阳能的一项重要技术基础。
太阳能电池是一种利用光生伏特效应将太阳光能直接转化为电能的器件。早在1839年，科学家们已经开始研究光生伏特效应，到20世纪40年代中期，太阳能电池的研制取得了重大突破，在单晶硅中发现了称之为Czochralski的过程。1954年，美国贝尔实验室根据这个Czochralski的过程成功研制了世界上第一块太阳能电池，能量转换效率达到4％。太阳能电池的问世，标志着太阳能开始借助人工器件直接转换为电能，这是世界能源业界的一次新的飞跃。
太阳能电池种类繁多，包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、化合物半导体电池和叠层太阳能电池。
硅材料是目前太阳能电池材料(即光伏材料)的主流，这不仅因为硅在地壳中含量丰富，而且用它制成的电池转化效率相对较高。单晶硅太阳能电池在实验室里最高的转换效率接近25％，而规模生产的单晶硅太阳能电池，其效率为17％。但是单品硅太阳能电池制作工艺繁琐，且单晶硅成本价格居高不下，大幅降低成本非常困难，无法实现太阳能发电的大规模普及。随着新材料的不断开发和相关技术的发展，以其他材料为基础的太阳能电池愈来愈显示出诱人的前景。目前国际低成本大规模生产技术的研究主要集中在多晶硅、大面积薄膜非晶硅、碲化镉(CdTe)、铜铟硒(CuInSe₂)太阳能电池，III-V族化合物半导体高效太阳能电池，非晶硅及结晶硅混合型薄膜太阳能电池等方面。与单晶硅太阳能电池相比，除多晶硅、砷化镓、铜铟硒、碲化镉等外，其他材料的电池光电转化效率普遍未超过15％。尽管如此，硅材料仍不是最理想的光伏材料，这主要是因为硅是间接带隙半导体材料，其光学吸收系数较低，所以研究其他光伏材料成为当前的一种趋势。其中，CdTe和CuInSe₂被认为是两种非常有应用前景的光伏材料，目前已经取得一定的进展，但是要将它们大规模生产并与晶体硅太阳能电池抗衡还需要投入大量的人力物力进行研发。
CdTe是一种化合物半导体，在太阳能电池中一般作吸收层。由于它的直接带隙为1.45eV，最适合于光电能量转换，因此使得约2微米厚的CdTe吸收层在其带隙以上的光学吸收率达到90％成为可能，允许的最高理论转换效率在大气质量AM1.5条件下高达27％。CdTe容易沉积成大面积的薄膜，沉积速率也高。因此，CdTe薄膜太阳能电池的制造成本较低，是应用前景较好的一种新型太阳能电池，已成为美、德、日、意等国研发的主要对象。目前，已获得的最高效率为16.5％，电池模块效率达到11％。然而，当前人们对CdTe太阳能电池的特点和制备方法的认识相对比较零散，没有一个系统的了解。
发明内容：
本发明的目的是提供一种CdTe薄膜太阳能电池的制备方法，通过该方法可以在一套设备内制备CdTe薄膜太阳能电池，制作工艺简单，减少了中间污染环节，增加了电池的有效性。
本发明的技术方案如下：一种CdTe薄膜太阳能电池的制造方法，所述太阳能电池结构为玻璃/TCO/CdS/CdTe/背电极构成，CdS/CdTe分别组成PN结。该方法具有以下工艺步骤：
a.透明玻璃衬底预处理：采用1713玻璃作为沉积衬底；采用丙酮超声清洗5～15min，以去除表面的油脂，然后去离子水超声清洗10～20min去除玻璃表面杂质；最后将玻璃烘干后放入预处理室，使用等离子体对玻璃衬底进行清洗。
b.制备In₂O₃:F透明导电薄膜(TCO)：将透明玻璃由机械臂传递到磁控溅射仪的样品台上，溅射靶材为高纯In₂O₃；先用真空泵对溅射室抽真空至5Pa以下，然后用分子泵对反应室抽真空至10^-2Pa以下。通入Ar气和5％CHF₃，调节流量为30～60ml/min；调节反应气压为0.2～0.5Pa；溅射功率100～500W；溅射时间0.5～2h。
c.生长CdS薄膜：将制备好TCO薄膜的衬底由机械臂传递至近空间升华炉样品台上，升华源为高纯CdS粉末；先用真空泵将升华炉抽真空至5Pa以下，然后用分子泵对升华炉抽真空至10^-2Pa以下；通入50％Ar气和50％O₂，调节流量为5～20ml/min；调节气压为500～2000Pa；调节红外卤素灯使升华源温度为550～620℃，衬底温度为500～550℃，升华源与衬底距离为2～8mm；升华时间为3～10s。
d.对CdS薄膜退火处理：制备好CdS后关闭升华源，通入80％Ar气和20％O₂，保持衬底温度在400～450℃下退火处理20～30min。
e.生长CdTe薄膜：将退火后的衬底由机械臂传递至近空间升华炉样品台上，升华源为高纯CdTe粉末。先用真空泵将升华炉抽真空至5Pa以下，然后用分子泵对升华炉抽真空至10^-2Pa以下。通入Ar气，调节流量为5～20ml/min；调节气压为500～2000Pa；调节红外卤素灯使升华源温度为560～600℃；衬底温度为480～520℃，升华源与衬底距离为1～5mm；升华时间为0.5～2min。
f.CdTe薄膜退火处理：将制备好CdTe薄膜的衬底由机械臂传递至磁控溅射仪的样品台上，溅射靶材为高纯CdCl₂，先用真空泵对溅射室抽真空至5Pa以下，然后用分子泵对反应室抽真空至10^-2Pa以下。通入Ar气，调节气压为0.2～0.5Pa；溅射功率为100～500W；溅射时间为10～20min。溅射完成后继续通入Ar气作保护气，保持衬底温度为400～450℃退火15～30min。
g.背电极制备：在磁控溅射室内制备背电极，溅射靶材为高纯Ni，先用真空泵对溅射室抽真空至5Pa以下，然后用分子泵对反应室抽真空至10^-2Pa以下。通入Ar气，调节气压为0.3～0.5Pa；溅射功率为200～500W；溅射时间为20～40min。最后将薄膜电池在Ar气中400℃退火处理1～2h。使电极形成更好的欧姆接触。
其中，所述磁控溅射仪和近空间升华炉通过插板阀连接，并由磁力机械手进行样品传递，上述步骤从玻璃衬底进入预处理室后，全部工序都在真空环境下自动完成。
本发明同其他CdTe薄膜太阳能电池制备方法相比，具有如下创新点：
(1)薄膜电池制备工序简单，从玻璃衬底进入预处理室后所有工序都在一套设备内完成，减少了中间污染环节，增加了电池的有效性。所有工序在一套设备内完成是指：该制备设备通过插板阀连接磁控溅射仪和近空间升华炉，并由磁力机械手进行样品传递，从玻璃衬底进入预处理室后，全部工序都在真空环境下由电脑控制，流水作业，自动完成。
(2)本发明采用了近空间升华法(CSS)制备CdS、CdTe，并在Ar气保护下进行高温退火，使CdS/CdTe界面重组，电池效率提高。
附图说明：
图1为CdTe薄膜太阳电池结构示意图；
图2为电池制备工序示意图；
附图标号说明：
1-透明玻璃衬底，2-透明导电薄膜，3-硫化镉薄膜，4-碲化镉薄膜，5-背电极，6-预处理室，7-近空间升华炉A，8-近空间升华炉B，9-磁控溅射仪，10-机械臂。
具体实施方式：
按照如下的制备工艺进行CdTe薄膜太阳电池的制备：
(1)透明玻璃衬底1预处理：采用1713玻璃作为沉积衬底1。采用丙酮超声清洗10min，以去除表面的油脂，然后去离子水超声清洗10min去除玻璃表面杂质；最后将玻璃烘干后放入预处理室，使用等离子体对玻璃衬底1进行清洗。
(2)制备In₂O₃:F透明导电薄膜2：将透明玻璃衬底1由机械臂10传递到磁控溅射仪9的样品台上，溅射靶材为高纯In₂O₃。先用真空泵对溅射室抽真空至3Pa，然后用分子泵对反应室抽真空至1×10^-3Pa。通入Ar气和5％CHF₃，调节流量为30ml/min；调节反应气压为0.2Pa；溅射功率200W；溅射时间0.5h。
(3)生长CdS薄膜3：将制备好透明导电薄膜2(TCO)的透明玻璃衬底1由机械臂10传递至近空间升华炉A 7样品台上，升华源为高纯CdS粉末。先用真空泵将升华炉抽真空至3Pa，然后用分子泵对升华炉抽真空至1×10^-3Pa；通入50％Ar气和50％O₂，调节流量为10ml/min；调节气压为1000Pa；调节红外卤素灯使升华源温度为550℃，衬底温度为500℃，源与衬底距离为4mm；升华时间为6s。
(4)CdS薄膜3退火处理：制备好CdS薄膜3后关闭升华源，通入80％Ar气和20％O₂，保持衬底温度在400℃下退火处理20min。
(5)生长CdTe薄膜4：将退火后的CdS薄膜3由机械臂10传递至近空间升华炉B 8样品台上，升华源为高纯CdTe粉末。先用真空泵将升华炉抽真空至5Pa，然后用分子泵对升华炉抽真空至1×10^-3Pa；通入Ar气，调节流量为10ml/min；调节气压为800Pa；调节红外卤素灯使升华源温度为600℃；衬底温度为500℃，源与衬底距离为5mm；升华时间为2min。
(6)CdTe薄膜4退火处理：将制备好CdTe薄膜4的衬底由机械臂10传递至磁控溅射仪9的样品台上，溅射靶材为高纯CdCl₂，先用真空泵对磁控溅射仪9的溅射室抽真空至5Pa，然后用分子泵对反应室抽真空至1×10^-3Pa以下；通入Ar气，调节气压为0.2Pa；溅射功率为150W；溅射时间为10min。溅射完成后，继续通入Ar气作保护气，保持衬底温度为450℃退火15min。
(7)背电极5制备：在磁控磁控溅射仪9的溅射室内制备背电极5，溅射靶材为高纯Ni，先用真空泵对溅射室抽真空至3Pa，然后用分子泵对反应室抽真空至1×10^-3Pa以下。通入Ar气，调节气压为0.3Pa；溅射功率为200W；溅射时间为20min；最后将薄膜电池在Ar气中400℃退火处理1小时。使电极形成更好的欧姆接触。
通过对以上所制得的太阳能电池，使用太阳能模拟器测试后，结果表明薄膜太阳能电池的光电转换效率甚佳，电池效率大于15％。通过CSS技术在玻璃衬底上外延生长CdTe薄膜电池，可以精确控制材料的生长及各层材料的厚度，从而进一步提高太阳能电池的效率。