[發明專利]銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的光吸收層的制備方法

有效

• 申請號: 201110306669.X
• 申請日: 2011-10-11
• 公開（公告）號: CN102418072A
• 公開（公告）日: 2012-04-18
• 發明（設計）人: 肖旭東;劉壯;楊春雷;王曉峰
• 申請（專利權）人: 中國科學院深圳先進技術研究院;香港中文大學
• 主分類號: C23C14/24
• 分類號: C23C14/24;C23C14/06;C23C14/16;C23C14/18;H01L31/18
• 代理公司: 廣州華進聯合專利商標代理有限公司 44224
• 代理人: 吳平

【技術領域】

本發明涉太陽能電池技術，特別是涉及至少一種銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的光吸收層的制備方法。

【背景技術】

銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的典型結構為多層膜結構，從入光面開始，依次包括：金屬柵極層(Al)/透明電極層(AZO)/窗口層(ZnO)/緩沖層(CdS)/光吸收層(CIGS)/背電極層(Mo)/玻璃。其中光吸收層可以使用銅、銦、鎵和硒的四源高溫共蒸發工藝獲得，為了保證入射光的充分吸收，吸收層的厚度一般大于2μm。

在銅銦鎵硒薄膜電池的發展過程中，研究人員發現在CIGS光吸收層中引入梯度帶隙，可以有效的改善電池器件的電學性質。這是因為梯度帶隙產生的電勢差將光生載流子驅離高復合區域，比如背電極和吸收層的界面，以及吸收層和緩沖層之間的節區，從而提高太陽能電池的短路電流。

梯度帶隙來源于銅銦鎵硒薄膜中不同區域內【Ga/(In+Ga)】比例值不同，【Ga/(In+Ga)】比例高的區域，帶隙寬；【Ga/(In+Ga)】比例低的區域，帶隙窄。這是因為CuInSe₂的禁帶寬度為1.04eV，而CuGaSe₂的禁帶寬度為1.68eV，當【Ga/(In+Ga)】比例值在吸收層兩側高，中間低，就產生了梯度帶隙。

在制膜的過程中，Ga原子和In原子的振動幅度不同。一般來講，膜內Ga的振動不好，In的振動好，更加利于擴散。所以In在薄膜內的擴散性能比Ga的好，在傳統的CIGS光吸收層的蒸發工藝中，通過分階段控制蒸發銅銦鎵硒不同元素之間的比例和工藝時間，再通過較高襯底溫度下的元素擴散，來粗略地實現的V型雙梯度帶隙。

但是，傳統的工藝不能精確地實現理論設計的能帶結構。

【發明內容】

基于此，有必要提供一種能夠精確地實現理論設計的能帶結構的銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的光吸收層的制備方法。

一種銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的光吸收層的制備方法，將銅、銦、鎵和硒四種單質分別蒸發沉積到襯底上，控制鎵蒸發溫度在900℃～1100℃內并且在蒸發過程中先均勻降溫35℃～45℃再均勻升溫35℃～45℃；控制銦的蒸發溫度在800℃～1000℃內并且在蒸發過程中先均勻升溫45℃～55℃再均勻降溫45℃～55℃，從而主動控制鎵和銦的蒸發量使得所述光吸收層在厚度方向上兩側的鎵含量高于中間的鎵含量。

優選的，所述蒸發過程中包括三個階段：

第一階段：控制襯底溫度在200℃～300℃，控制鎵的蒸發溫度為900℃～1100℃之間并在第一階段均勻地降溫35℃～45℃，控制銦的蒸發溫度為800℃～1000℃之間并在第一階段均勻地升溫45℃～55℃，控制硒的蒸發溫度在200℃～300℃之間；第一階段的蒸發時間為10min～20min，第一階段結束后在所述襯底的一個表面形成第一光吸收層；

第二階段：停止蒸發銦和鎵，提高襯底溫度在450℃～600℃之間，維持硒的蒸發溫度與第一階段相同，控制銅的蒸發溫度在1300℃～1500℃之間；第二階段的蒸發時間為10min～30min，并在沉積中的襯底的表面溫度突然下降時立即停止蒸發；第二階段結束后在所述第一光吸收層的表面形成第二光吸收層；

第三階段：停止蒸發銅，維持襯底溫度與第二階段相同，維持硒的蒸發溫度與第二階段相同，控制鎵的蒸發溫度為900℃～1100℃并在第三階段均勻地升溫35℃～45℃，控制銦的蒸發溫度為800℃～1000℃并在第三階段均勻地降溫45℃～55℃；第三階段的蒸發時間為1min～3min，第三階段結束后在所述第二光吸收層的表面形成第三光吸收層，從而得到所述銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的光吸收層。

優選的，第一階段，鎵的蒸發溫度降低40℃，銦的蒸發溫度升高50℃；

第三階段，鎵的蒸發溫度升高40℃，銦的蒸發溫度降低50℃。

優選的，所述蒸發過程包括二個階段：

第一階段、控制襯底溫度在450℃～600℃，控制鎵的蒸發溫度為900℃～1100℃并在第一階段均勻地降溫35℃～45℃，控制銦的蒸發溫度為800℃～1000℃并在第一階段均勻地升溫45℃～55℃，控制硒的蒸發溫度在200℃～300℃，控制銅的蒸發溫度在1300℃～1500℃之間；第一階段的蒸發時間為8min～12min，第一階段結束后在所述襯底的一個表面形成光吸收層I；