一种铜铟镓硒薄膜电池透明导电层结构及其制造方法[发明专利]

*CN103022173A*

(10)申请公布号 CN 103022173 A(43)申请公布日 2013.04.03

(12)发明专利申请

(21)申请号 201210531568.7(22)申请日 2012.12.10

(71)申请人华南理工大学

地址510640 广东省广州市天河区五山路

381号(72)发明人汤勇 彭洁旻 杨晓军 万珍平

陆龙生 袁伟 梁元敏 钟福回(74)专利代理机构广州市华学知识产权代理有

限公司 44245

代理人蔡茂略(51)Int.Cl.

C23C 14/14(2006.01)

H01L 31/0236(2006.01)H01L 31/0224(2006.01)H01L 31/18(2006.01)C23C 14/54(2006.01)C23C 14/34(2006.01)

权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 2 页权利要求书1页 说明书3页 附图2页

(54)发明名称

一种铜铟镓硒薄膜电池透明导电层结构及其制造方法(57)摘要

本发明提供一种铜铟镓硒薄膜电池透明导电层及其制造方法，属于光电材料新能源技术领域。该铜铟镓硒薄膜电池包括上电极（Ni/Al），透明导电层（ZnO：Al），窗口层（ZnO）,缓冲层（CdS），吸收层（P型CuInGaSe2），背电极（Mo）和衬底（玻璃/不锈钢等）。其透明导电层具有“类金字塔”表面陷光结构，为含Al掺杂ZnO薄膜。本发明所提供的“类金字塔”表面陷光结构，可增大光吸收的表面积，能有效地降低反射率，从而降低光学损失并提高电池转化效率。CN 103022173 ACN 103022173 A

权 利 要 求 书

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1.一种铜铟镓硒薄膜电池透明导电层结构，包括铜铟镓硒透明导电层，其特征在于：所述导电层具有表面陷光结构，该表面陷光结构为类金字塔形。

2.根据权利要求1所述的透明导电层结构，其特征在于：所述表面陷光结构具有多个类金字塔形凸起，所述多个类金字塔形凸起的大小一致或不同。

3.根据权利要求2所述的透明导电层结构，其特征在于：所述类金字塔形的凸起为圆锥体、斜棱锥或棱台的凸起结构。

4.根据权利要求1所述的透明导电层结构，其特征在于：该铜铟镓硒透明导电层为含Al掺杂ZnO的导电膜。

5.根据权利要求1所述的透明导电层结构，其特征在于：该铜铟镓硒透明导电层的厚度为0.1um～0.6um。

6.一种根据权利要求1所述铜铟镓硒薄膜电池透明导电层结构的制造方法，其特征在于，包括以下制造步骤：

（1）基于分形几何理论的表面陷光结构微观形貌特征的数字化建模方法，在计算机上构建类金字塔形表面陷光结构的数字模型；

（2）将一定比例的Zn和Al封在石英管中并接上真空系统，抽真空后将石英管封离，或用高纯惰性气体保护，然后进行加热熔炼，最终制成Zn-Al合金靶；

（3）将已依次叠合有背电极、吸收层、缓冲层和窗口层的衬底在丙酮中超声波清洗，再依次在去离子水和无水乙醇中清洗后用氮气吹干，同时将Zn-Al合金靶置于纯氩气氛下预溅射以清洁靶面；

（4）将衬底置于直流反应磁控溅射设备中，运用计算机根据所设计的类金字塔形的表面陷光结构模型的数据，来控制溅射靶的三维行走轨迹，最终在窗口层表面上形成类金字塔形的表面陷光结构。

7.根据权利要求6所述的透明导电层结构的制造方法，其特征在于：Al掺杂在合金靶中的含量为2～3%wt。

8.根据权利要求6所述的透明导电层结构的制造方法，其特征在于：衬底在丙酮中超声波清洗时间为25～35min。

9.根据权利要求6所述的透明导电层结构的制造方法，其特征在于：ZnAl合金靶置于纯氩气氛下预溅射时间为7～9min。

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说 明 书

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一种铜铟镓硒薄膜电池透明导电层结构及其制造方法

技术领域

本发明属于光电材料新能源技术领域，涉及一种具有“类金字塔”表面陷光结构的

铜铟镓硒薄膜太阳能电池的透明导电层结构及其制造方法。

[0001]

背景技术

目前，薄膜太阳能电池在降低成本方面比发展最成熟的晶体硅太阳电池具有更大

的优势：一是实现薄膜化后，可以极大地节省昂贵的半导体材料；二是薄膜电池的材料制备和电池同时形成，因此节省了许多工序；三是薄膜太阳电池采用低温工艺技术，不仅有利于节能降耗，而且便于采用廉价衬底（玻璃、不锈钢、聚合物等）。因此，发展低成本新型薄膜太阳能电池是未来国际光伏产业的必然趋势。作为直接能隙半导体化合物材料，铜铟镓硒薄膜（CIGS）太阳能电池的吸收系数高达105cm-1，光电转化效率是所有薄膜太阳能电池中最高的；而且稳定性好、无光致衰减效应；同时允许以廉价、柔性衬底连续化沉积，其材料成本和生产成本具有更大的降低空间。CIGS薄膜电池为新一代最有竞争力的商业化薄膜太阳能电池，已成为全球光伏领域研究热点之一，从而研究CIGS薄膜电池光电转化率具有重要意义。

[0003] 表面陷光结构可增加光吸收的表面积，能有效地降低光的反射率，从而降低光学损失并提高电池转化效率。因此，可以通过制作表面陷光结构来改善CIGS薄膜太阳能电池透明导电层结构单一的现状，从而提高吸收层光的吸收率，增强CIGS薄膜电池的光电转化率。

[0004] 现有技术中主要采用MOCVD或热喷涂的方法直接沉积出“类金字塔”表面陷光结构，但容易产生有害物质，对环境会造成污染。而另一种用磁控溅射沉积平面薄膜后再用稀HCL腐蚀出“类金字塔”表面陷光结构的方法，加工效率低，对环境有污染，而且“类金字塔”表面陷光结构不可控。

[0002]

发明内容

[0005] 本发明的目的之一在于针对当前CIGS薄膜太阳能电池的透明导电层结构单一，吸收层的光吸收率受限的不足，提出一种能够有效提高光的吸收效率的具有类金字塔形表面陷光结构的铜铟镓硒薄膜电池透明导电层结构。

[0006] 本发明的目的之二在于提出一种具有类金字塔形表面陷光结构的铜铟镓硒薄膜电池透明导电层结构的制造方法。此制造方法简单高效，可控精确，适应工业化生产。[0007] 为实现本发明的目的之一所采用的技术方案为：一种铜铟镓硒薄膜电池透明导电层结构，包括铜铟镓硒透明导电层，所述导电层具有表面陷光结构，该表面陷光结构为类金字塔形。

优选的，所述表面陷光结构具有多个类金字塔形凸起，所述多个类金字塔形凸起

的大小一致或不同。[0009] 优选的，所述类金字塔形凸起的大小，类金字塔形凸起分为若干部分，同一部分的

[0008]

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说 明 书

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大小相同，不同部分的大小不同。[0010] 优选的，所述类金字塔形的凸起为圆锥体、斜棱锥或棱台的凸起结构。[0011] 优选的，该铜铟镓硒透明导电层为含Al掺杂ZnO的导电膜。[0012] 优选的，该铜铟镓硒透明导电层的厚度为0.1um～0.6um。[0013] 为实现本发明的目的之二所采用的技术方案为：一种根据权利要求1所述铜铟镓硒薄膜电池透明导电层结构的制造方法，包括以下制造步骤：[0014] （1）基于分形几何理论的表面陷光结构微观形貌特征的数字化建模方法，在计算机上构建类金字塔形表面陷光结构的数字模型；[0015] （2）将一定比例的Zn和Al封在石英管中并接上真空系统，抽真空后将石英管封离，或用高纯惰性气体保护，然后进行加热熔炼，最终制成Zn-Al合金靶；[0016] （3）将已依次叠合有背电极、吸收层、缓冲层和窗口层的衬底在丙酮中超声波清洗，再依次在去离子水和无水乙醇中清洗后用氮气吹干，同时将ZnAl合金靶置于纯氩气氛下预溅射以清洁靶面；[0017] （4）将衬底置于直流反应磁控溅射设备中，运用计算机根据所设计的类金字塔形的表面陷光结构模型的数据，来控制溅射靶的三维行走轨迹，最终在窗口层表面上形成类金字塔形的表面陷光结构。[0018] 上述封离，指在器件排气过程终了，管内气体压强达10-5帕以下时，将器件与排气系统分开并保持密封的过程。[0019] 优选的，Al掺杂在合金靶中的含量为2～3%（wt），2～3%（wt）表示重量比为2～3%。

[0020] 优选的，衬底在丙酮中超声波清洗时间为25～35min。[0021] 优选的，Zn-Al合金靶置于纯氩气氛下预溅射时间为7～9min。[0022] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于：[0023] (1)本发明提供的具有“类金字塔”表面陷光结构的铜铟镓硒薄膜电池透明导电层，其“类金字塔”结构相对于平面结构，可增大光吸收的表面积；其“类金字塔”结构为一种表面陷光结构，陷光效果良好，在可见光及近红外范围的平均透过率≥95%，电阻率<1.5×10-3Ωcm。该具有“类金字塔”表面陷光结构的铜铟镓硒薄膜电池透明导电层能够有效地提高电池转换效率，在能源匮乏的当今世界具有极大的应用前景和价值。[0024] (2)本发明所提供的铜铟镓硒薄膜电池透明导电层的“类金字塔”表面陷光结构，采用主动设计的方式：先采用分形几何理论的分形布朗函数模拟法、分形插值模拟法等方法分析透明导电层表面陷光结构的粗糙形貌；再利用傅里叶滤波法、随机中点位移法、逐次随机增加法等方法，研究各种粗糙表面的分形模拟及其曲线、曲面的叠加；最后利用OpenGL图像显示技术，在Object ARX二次开发环境下，进行表面陷光结构的数字化2D/3D模型设计，从而可以实现表面陷光结构的可控、精确制造。

[0025] (3)本发明制造方法中采用通过PC机控制直流反应磁控溅射设备的溅射靶直接沉积的方法，加工效率高且环保安全。现有技术中制造“类金字塔”表面陷光结构主要采用MOCVD或热喷涂直接沉积，会产生有害物质，污染环境；而用磁控溅射沉积平面薄膜后再用稀HCL腐蚀方法，加工效率低，对环境有污染，且结构不可控。而本发明提供的加工方法为磁控溅射直接沉积方式，仅需结合PC机就能够加工出所需的结构，具有加工效率高、操作

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说 明 书

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简单可靠、绿色环保等优点。附图说明

图1是本发明铜铟镓硒薄膜电池透明导电层结构的设计俯视图。[0027] 图2是本发明铜铟镓硒薄膜电池透明导电层结构的侧面剖视图。[0028] 图3是本发明铜铟镓硒薄膜电池透明导电层结构的扫描电镜图。

[0026]

具体实施方式

[0029] 下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

[0030] 实施例

[0031] 如图1至图3所示，以加工出厚度为0.5um,Al掺杂在靶材中的含量为3%的具有“类金字塔”表面陷光结构的铜铟镓硒薄膜电池透明导电层为例。[0032] (1)先采用分形几何理论的分形布朗函数模拟法、分形插值模拟法等方法分析透明导电层表面陷光结构的粗糙形貌；再利用傅里叶滤波法、随机中点位移法、逐次随机增加法等方法，研究各种粗糙表面的分形模拟及其曲线、曲面的叠加；最后利用OpenGL图像显示技术，在Object ARX二次开发环境下，进行表面陷光结构的数字化2D/3D模型设计，并生成“类金字塔”表面陷光结构的三维数据；[0033] (2)将质量比为24.88：1的Zn和Al封在石英管中接上真空系统，抽空后将石英管封离，或用高纯惰性气体保护，然后进行加热熔炼，最终制成Zn-Al合金靶；[0034] (3)溅射前将已依次叠合有背电极、吸收层、缓冲层和窗口层的衬底在丙酮中超声波清洗30min，再依次在去离子水和无水乙醇中清洗后用氮气吹干，同时将Zn-Al合金靶置于纯氩气氛下预溅射8min以清洁靶面；

[0035] (4)采用沈科仪研制的JGP450型多靶头磁控溅射设备：将衬底置于该设备中，运用PC机根据生成的“类金字塔”表面陷光结构的三维数据，来控制该磁控溅射系统多个靶头的三维行走轨迹，最终在窗口层表面上形成厚度为0.5um的“类金字塔”表面陷光结构。溅射过程中将氧气出口置于衬底附近，氩气置于靶材附近，以尽量减少靶的毒效应；溅射气体为高纯氩(99．99％)，反应气体为高纯02(99．99％)；溅射气压在1.2～2.5mTorr之间进行调节，采用直流电源恒定电流工作模式；用S4933M/MT型流量计控制溅射气体流量，用PC机控制溅射功率、溅射时间、衬底温度，来实现“类金字塔”表面陷光结构的最优化主动制造。

[0036] 本发明所提供的“类金字塔”表面陷光结构，可增大光吸收的表面积，能有效地降低反射率，从而降低光学损失并提高电池转化效率；本制造方法采用直流反应磁控溅射，其简单高效，可控精确，适应于走向商业化生产。[0037] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

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说 明 书 附 图

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图1

图2

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说 明 书 附 图

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图3

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