[發明專利]銅銦鎵硒薄膜太陽電池光吸收層的硒化方法

有效

• 申請號: 200910229193.7
• 申請日: 2009-12-15
• 公開（公告）號: CN102097522A
• 公開（公告）日: 2011-06-15
• 發明（設計）人: 趙彥民;劉興江;方小紅;王慶華;馮金暉
• 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: H01L31/18
• 分類號: H01L31/18
• 代理公司: 天津盛理知識產權代理有限公司 12209
• 代理人: 王來佳

技術領域

本發明屬于銅銦鎵硒薄膜太陽電池制造技術領域，尤其是一種銅銦鎵硒薄膜太陽電池光吸收層的硒化方法。

背景技術

銅銦鎵硒(泛指CIGS，CIGSS)薄膜太陽電池的基本結構是：基底/金屬背電極/光吸收層/(緩沖層)/窗口層/透明電極層/金屬柵狀電極/減反射層。目前，以黃銅礦結構化合物半導體銅銦鎵硒為光吸收層的薄膜太陽電池，被認為是最具有發展前景的化合物電池之一，銅銦鎵硒薄膜是一種直接帶隙半導體材料，其重要特性是能隙可通過Ga摻入量進行調節。銅銦鎵硒材料禁帶寬度可以在1.04eV～1.65eV間變化，非常適合調整和優化材料的禁帶寬度，使銅銦鎵硒薄膜太陽電池具有最佳的光學能隙。銅銦鎵硒薄膜材料對可見光的吸收系數是薄膜電池中最高的，達到10⁵/cm，適合于電池結構薄膜化。這些優勢使銅銦鎵硒薄膜電池成為轉換效率最高的薄膜電池。其具有制造成本低、高光電轉換效率強、抗輻射能力強、性能穩定等優點。當前銅銦鎵硒光吸收層的制備方法主要有共蒸法和濺射后硒化法。共蒸法有兩種方式，一種是一步共蒸法，即將Cu、In、Ga、Se或者包括S同時蒸發沉積，形成銅銦鎵硒薄膜；另一種是三步共蒸法，由于美國國家可再生能源實驗室(NREL)最先采用，所以也叫做NREL法，該方法分三步進行，首先是蒸發沉積In、Ga和Se，接著蒸發沉積Cu和Se，最后為了使III族元素過量，再次蒸發沉積In、Ga和Se。硒化法是在襯底上先沉積銅銦鎵(Cu、In、Ga)形成預制膜基片，然后在Se氣氛中硒化形成銅銦鎵硒光吸收層。同樣用硫替代硒，也可進行硫化反應或先硒后硫(先硫后硒)分步法的化學熱處理，最終生成銅銦鎵硒光吸收層。共蒸法制備的銅銦鎵硒光吸收層不易控制、工藝設備復雜；硒化法制備的銅銦鎵硒光吸收層工藝簡單，易于控制，適合工業化生產。

現有技術中的預制膜基片既可用H₂Se或H₂S氣體硒化制備銅銦鎵硒光吸收層，也可用固態Se或S硒化制備銅銦鎵硒光吸收層。其中采用H₂Se或H₂S氣體制備的光吸收層制成的銅銦鎵硒薄膜太陽電池轉換效率較高，但H₂Se或H₂S均是劇毒氣體，且易燃，對保存和操作的要求非常高，嚴重影響了此種方法的實際應用；采用固態Se或S硒化制備銅銦鎵硒光吸收層，例如中國專利CN1719625采用的預蒸發硒化或硫化法，是先在預制膜基片表面蒸發一層硒或硫，再通過鹵鎢燈照射加熱預制膜基片，制備銅銦鎵硒吸收層，其反應物的消耗大，溫度不易控制。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種工藝簡單、溫度容易控制、減少吸收層雜相的產生、反應物消耗少的銅銦鎵硒薄膜太陽電池光吸收層的硒化方法。

本發明解決其技術問題是通過以下技術方案實現的：

銅銦鎵硒薄膜太陽電池光吸收層的硒化方法，包括以下過程：

(1)裝片：將退火后的基片放在能夠與機械磁力拉桿相吸的基片支架上，反應物裝入石英舟；自上至下將基片加熱器、基片支架、套在導向桶中的石英舟和石英舟加熱爐放置在一個反應腔體中，導向桶外周均布有加熱帶；用抽真空系統對反應腔體、通過閥門與反應腔體相通的轉換腔體和石英舟抽真空，真空度均為6×10^-3Pa以下；

(2)升溫：由PID溫度控制器控制溫度，石英舟加熱爐溫度升至200℃以上、加熱帶溫度升至250℃以上時，打開基片加熱器升溫至500℃以上；石英舟中的反應物正對著基片，基片和反應物進行硒化反應，保持15min以上；

(3)降溫：硒化反應完成后，基片加熱器保持500℃以上，石英舟加熱爐和加熱帶溫度通過反應腔體壁中的循環水快速降溫至200℃以下，用機械磁力拉桿吸住基片支架，快速拉至與反應腔體相通的溫度為室溫的轉換腔體中，待基片溫度降至室溫，基片即為銅銦鎵硒薄膜太陽電池光吸收層。

而且，所述(1)中反應物為硒或硫，或硒和硫的混合物。

而且，所述(1)中基片加熱器為紅外鹵鎢燈。

而且，所述(1)中石英舟加熱爐為阻性材料。

而且，所述(1)中導向桶為不銹鋼圓柱筒，圓柱體外周布有阻性材料。

而且，所述(1)中抽真空系統為機械泵或小型渦輪分子泵。

本發明的優點和有益效果為：

1、本發明反應后的基片由于從500℃以上的反應室快速移到室溫真空轉換腔體，由于采用雙腔體結構，保證了基片溫度的控制，減少了吸收層雜相的產生。