[發明專利]高轉化效率銅銦鎵硒薄膜太陽能電池吸收層的制備設備及制備方法

有效

• 申請號: 201110319292.1
• 申請日: 2011-10-19
• 公開（公告）號: CN102534491A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發明（設計）人: 戰永剛;郭杏元
• 申請（專利權）人: 深圳市三海光電技術有限公司
• 主分類號: C23C14/06
• 分類號: C23C14/06;C23C14/34;H01L31/18
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種銅銦鎵硒薄膜太陽能電池吸收層的制備設備及其制備方法，屬于太陽能電池技術領域。

銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽能電池是多元化合物太陽能電池的一種，它具有轉化效率高、穩定性好、抗輻照性能好、成本低等優點。CIGS是銅銦鎵硒薄膜太陽能電池吸收層化學成份CuIn_xGa_(1-x)Se₂的縮寫。

如附圖1所示，銅銦鎵硒薄膜太陽能電池是多層膜結構組件，其主要結構有：基底(通常是玻璃)、背電極(通常是Mo)、吸收層(p-CIGS)、緩沖層(通常是n-CdS)、透明導電層(通常是本征ZnO及Al摻雜ZnO雙層結構)、上電極(通常為Ni/Al)、減反射層(通常是MgF₂，不一定要有)。各層膜的結構與特性都將影響CIGS電池的性能。

銅銦鎵硒薄膜太陽能電池中吸收層的品質直接制約著銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的性能，因而在電池的制備過程中吸收層的制備工藝非常關鍵。如果薄膜中各元素成分配比不合適，則可能形成CuxSey、InxSey等二元化合物，也可能形成如CuIn₅Se₈，CuIn₃Se₅，Cu₃In₅Se₉等其他的三元化合物，或者多相混合物，而非所需的CuIn(Ga)Se₂化合物。而CIGS化合物半導體的電學、光學性能及能隙寬度與材料的組分比之間也有著十分密切的關系，CIGS膜層中各種元素的化學計量比將直接影響銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的穩定性和光電轉化效率。

目前，銅銦鎵硒薄膜太陽能電池吸收層的制備工藝主要有真空法和非真空法兩類，其中真空法主要有共蒸發法和預制層硒化法；非真空工藝主要有電沉積法、印刷法等，非真空工藝路線制備的CIS基電池目前光電轉化效率還比較低，

迄今為止世界上最高光電轉換效率的CIGS基薄膜太陽能電池由美國國家可再生能源實驗室(NREL)制備，采用共蒸發工藝。共蒸發可分為一步法、兩步法和三步法。一步法是在基板溫度為450-550℃時，組成CIGS吸收層的全部元素同時蒸發。在薄膜沉積過程中，調整各元素的蒸發速率；以獲得混合均勻、化學計量比合適的CIGS化合物，整個過程一步完成。該工藝由于涉及的工藝參數調整比較復雜，整個制備過程比較難以控制。

美國NREL高轉化效率的CIGS薄膜采用的是三步共蒸發工藝制備的。第一步，基底溫度較低的情況下(400℃)蒸發In、Ga、Se形成一層In-Ga-Se預置層，其中控制原子比例In∶Ga＝0.7∶0.3，(In+Ga)∶Se＝2∶3；第二步，升高基底溫度到570℃，蒸發Cu、Se，其目的是為了借助低熔點的Cu_2-xSe在高溫下具有液相般的特性來促進晶粒生長，得到大尺寸且致密的膜層，這兩層復合可轉化為稍微富銅的CIGS；第三步，保持第二步的基底溫度，蒸發In、Ga、Se，使多余的Cu_2-xSe轉化成等化學計量比的CIGS，繼續蒸發少量的In、Ga、Se，可得到稍微貧銅的CIGS?p型黃銅礦結構，并控制Cu/In+Ga的比例在0.88-0.92這個狹小的范圍內。樣品隨后在蒸發Se的同時冷卻到400℃，關閉Se再冷卻到室溫。

德國伍爾特(wurth?solar)也采用共蒸發進行了小規模生產。但是共蒸發工藝難以實現大面積均勻性很好的成膜，且重復性也難以控制，因此不適合大規模產業化生產。共蒸發的優點是可以獲得混合均勻且化學計量比合適的CIGS膜層，前提是要能精確控制每一種蒸發物的蒸發速率及分布，這對于大面積來說實現起來比較困難。

預制層硒化法主要步驟包括：1)預制膜制備工藝，主要通過磁控濺射、蒸發法等方法制備Cu、In(Ga)合金預制膜或Cu、In(Ga)、Se的混合物膜。2)硒化工藝，主要通過在含硒的氣氛下(包括硒源和硒化氫源)對預制膜進行退火。退火溫度一般控制在400～600℃。