[發明專利]柔性銅銦鎵硒薄膜太陽電池及其吸收層的制備方法

有效

• 申請號: 200710151040.6
• 申請日: 2007-12-14
• 公開（公告）號: CN101459200A
• 公開（公告）日: 2009-06-17
• 發明（設計）人: 方小紅
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第十八研究所
• 主分類號: H01L31/042
• 分類號: H01L31/042;H01L31/045;H01L31/02;H01L31/18
• 代理公司: 天津市鼎和專利商標代理有限公司
• 代理人: 李 鳳

技術領域

本發明屬于太陽電池技術領域，特別是涉及一種柔性銅銦鎵硒薄膜太陽電池吸收層的制備方法。

背景技術

以黃銅礦結構的化合物半導體銅銦硒即CuInSe₂，簡寫為CIS系列混溶晶體為直接帶隙材料，以其作為吸收層的薄膜太陽電池，被認為是最有發展前景的第三代化合物光伏電池之一，其組成包括：CuInSe₂，CuIn_1-XGa_XSe₂，CuInS₂，CuIn_1-XGa_XS₂，CuIn_1-XGa_XSe_2-XS₂等。現有的銅銦鎵硒或硫薄膜太陽電池，是在20世紀80年代后期開發出來的新型太陽電池，是在鈉鈣玻璃、金屬箔，如：不銹鋼箔、鈦箔、Mo箔、鋁箔等，或聚酰亞胺膜襯底上分別沉積多層薄膜構成的光伏器件，典型結構為如下的多層膜結構：襯底/底電極/吸收層/緩沖層/窗口層/減反射膜/上電極。

研究表明，吸收層CIGS薄膜對電池性能起著決定性的作用。由于元素成分多、結構復雜，主要由Cu、In、Ga、Se或/和S四種或五種元素合成，是由多種相互故溶的化合物構成，光學吸收層中個元素的化學配比及其分布是決定電池性能的重要因素。

CIGS吸收層的制備方法主要分為兩類：第一類方法是多元共蒸發法，以Cu、In、Ga和Se為源在真空室中進行反應共蒸發，或將Cu+Se、In+Se、Ga+Se等二元分布共蒸發。共蒸發法要求每種元素的蒸發速率和在襯底上的沉積量都要求精確控制，才能得到均勻的薄膜；第二種方法是金屬預制層后硒化法，先在襯底上按配比沉積Cu、In、Ga層，再在Se氣氛中Se化，最終形成滿足配比要求的CuIn_1-XGa_XSe₂多晶薄膜。同樣用硫替代硒，進行硫化反應或先硒后硫分布法的化學熱處理，形成CuIn_1-XGa_XS₂或CuIn_1-XGa_XSe_2-XS₂。金屬預制層成膜方法有濺射、蒸發、電沉積、濺射和蒸發相結合的方法等，其薄膜均勻性較易控制，沉積厚度已于掌握，是較成熟的制備工藝，工藝設備的造價不高。其中磁控濺射方法工藝簡便、元素成分易于控制，是很有效的成膜方法。后硒化或硫化工藝主要包括化學氣相沉積法和化學固態硒或硫蒸發法。前者由于需采用劇毒的硒化氫或硫化氫氣體且國內并無硒化氫氣體供應而較難實施；后者就目前的技術而言，采用固態源且設備造價較低而廣泛采用。

常規固態源硒化或硫化是在真空室中將硒或硫加熱使其汽化成蒸汽，達到一定溫度后與金屬預制層反應生成CuIn_1-XGa_XSe₂或CuIn_1-XGa_XS₂，由于真空室中整個溫區的均勻性不可控，且需硒或硫蒸汽布滿整個真空室，在真空室壁遇冷則冷凝，導致硒化工藝不穩定，不可控導致吸收層薄膜性能不佳，影響薄膜太陽電池的性能。若通過加入反應氣體氫氣或氬氣+氫氣，則生產了劇毒的硒化氫，尾氣處理是一大問題；若僅僅通入惰性氣體(如：氬氣)，則不能控制硒蒸汽或硫蒸汽的壓強，導致硒化工藝不穩定，可控性差。

發明內容

本發明為解決現有技術中存在的問題，提供了一種設備簡單、過程可控、工藝重復性好的柔性銅銦鎵硒薄膜太陽電池吸收層的制備方法。

本發明為解決公知技術中存在的技術問題所采用的技術方案是：

柔性銅銦鎵硒薄膜太陽電池吸收層的制備方法，其特點是：在柔性金屬或聚酰亞胺膜的襯底上，磁控濺射沉積0.5-1.5μm厚的底電極Mo，再在底電極Mo上用CuIn和CuGa合金靶材以磁控濺射法制備厚度為0.6-1.2μm的金屬預制層；將沉積有底電極Mo和銅銦鎵金屬預制層的基片置于石英管中，同時在管中置入0.5-5g的固態硒源，真空密封，放入可分段程序控溫的管式爐中，基片所在區域溫度控制在400-590℃，固態硒源所在區域溫度控制在180-300℃，進行10-30min的硒化處理，使金屬預制層完全轉變為CuIn_1-XGa_XSe₂化合物半導體薄膜。

本發明還可以采用如下技術措施來實現：