[發(fā)明專利]一種太陽(yáng)能電池光吸收層薄膜的制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210550143.0
• 申請(qǐng)日: 2012-12-18
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103014624A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-04-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 萬(wàn)磊;徐進(jìn)章;鄒鵬;孟明明;王仁寶;毛小麗;牛海紅
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 合肥工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): C23C14/06
• 分類號(hào): C23C14/06;C23C14/24;H01L31/18;H01L31/032
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責(zé)任公司 34101
• 代理人: 吳啟運(yùn)

一、技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及薄膜太陽(yáng)能電池技術(shù)，具體地說(shuō)是一種太陽(yáng)能電池光吸收層薄膜的制備方法。

二、背景技術(shù)

銅銦鎵硒（Cu(In,Ga)Se₂，簡(jiǎn)稱CIGS）薄膜太陽(yáng)能電池是目前光電轉(zhuǎn)換效率最高的薄膜電池，其實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率在2010年達(dá)到20.3%，而且CIGS電池具有制造成本低、抗輻射能力強(qiáng)、弱光性好的優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最有發(fā)展前景的新一代太陽(yáng)能電池。

CIGS光吸收層是CIGS薄膜太陽(yáng)能電池最核心的一層。目前具有較高光電轉(zhuǎn)換效率的電池多采用物理氣相沉積工藝制備CIGS光吸收層。在該工藝制備過(guò)程中，襯底溫度的精確控制和空間分布均勻性對(duì)CIGS的物相形成具有重要影響。若襯底溫度在襯底平面上分布不均，則會(huì)造成CIGS薄膜在襯底平面上各處物相成分的不均，在溫度較低區(qū)域會(huì)產(chǎn)生雜相，降低電池的光電轉(zhuǎn)換效率。對(duì)于大面積電池的制備，尤其需要提高襯底溫度的空間分布均勻性。傳統(tǒng)的襯底加熱方式為接觸加熱的方法，加熱器的加熱面緊貼CIGS襯底玻璃平面，采用熱傳導(dǎo)的方式對(duì)襯底加熱，但此法易因襯底玻璃受熱彎曲，脫離加熱面，從而造成襯底溫度空間分布不均，脫離加熱面的區(qū)域襯底溫度相對(duì)較低。

三、發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明旨在提供一種太陽(yáng)能電池光吸收層薄膜的制備方法，所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提高光吸收層薄膜的成膜均勻性，從而提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

本發(fā)明太陽(yáng)能電池光吸收層薄膜的制備方法，是銅銦鎵硒（CIGSe）薄膜太陽(yáng)能電池光吸收層，采用共蒸法制備并通過(guò)紅外熱輻射加熱，其特征在于按以下步驟操作：

將鍍鉬玻璃襯底置于常規(guī)多源熱蒸發(fā)鍍膜系統(tǒng)的襯底上并抽真空至5×10^-4Pa，將銅、銦、鎵和硒的束源爐溫度分別升至1100-1250℃、900-1000℃、950-1100℃以及200-300℃并分別保持恒定；將襯底溫度從室溫升溫至250-450℃（3-8分鐘）并保持恒定，首先向鍍鉬玻璃襯底表面蒸鍍銦、鎵和硒10-15分鐘；銦、鎵和硒蒸鍍結(jié)束后將襯底溫度升溫至450-650℃并在升溫的同時(shí)蒸鍍銅和硒12-16分鐘，其中12-16分鐘是以溫度達(dá)到450-650℃時(shí)起計(jì)算；銅和硒蒸鍍結(jié)束后保持襯底溫度不變蒸鍍銦、鎵和硒3-6分鐘；銦、鎵和硒蒸鍍結(jié)束后將襯底溫度在15-30分鐘內(nèi)降至300-400℃，然后隨爐自然冷卻至室溫，得到CIGS薄膜。

銅、銦、鎵和硒的蒸鍍量是通過(guò)溫度和蒸鍍時(shí)間來(lái)調(diào)控的。

本發(fā)明太陽(yáng)能電池光吸收層薄膜的制備方法，是銅銦鎵硫硒（CIGSSe）薄膜太陽(yáng)能電池光吸收層，包括共蒸和硫化各單元過(guò)程，其特征在于：

所述共蒸是將鍍鉬玻璃襯底置于常規(guī)多源熱蒸發(fā)鍍膜系統(tǒng)的襯底上并抽真空至5×10^-4Pa，將銅、銦、鎵和硒的束源爐溫度分別升至1100-1250℃、900-1000℃、950-1100℃以及200-300℃并分別保持恒定；將襯底溫度從室溫升溫至250-450℃（3-8分鐘）并保持恒定，首先向鍍鉬玻璃襯底表面蒸鍍銦、鎵和硒10-15分鐘；銦、鎵和硒蒸鍍結(jié)束后將襯底溫度升溫至450-650℃并在升溫的同時(shí)蒸鍍銅和硒12-16分鐘，其中12-16分鐘是以溫度達(dá)到450-650℃時(shí)起計(jì)算；銅和硒蒸鍍結(jié)束后保持襯底溫度不變蒸鍍銦、鎵和硒3-6分鐘；銦、鎵和硒蒸鍍結(jié)束后將襯底溫度在15-30分鐘內(nèi)降至300-400℃，然后隨爐自然冷卻至室溫，得到CIGS薄膜；

銅、銦、鎵和硒的蒸鍍量是通過(guò)溫度和蒸鍍時(shí)間來(lái)調(diào)控的。

所述硫化是將所述CIGS薄膜置于在快速升溫爐的襯底上，爐內(nèi)抽真空至5×10^-1Pa，向爐內(nèi)通入氬氣和硫化氫氣體，氬氣和硫化氫氣體的總流量300-400sccm，流量比為20-50：1；通過(guò)鹵鎢燈輻照使溫度升至350-550℃并保溫5-60分鐘，隨后降溫至200-400℃后關(guān)閉鹵鎢燈，自然冷卻至室溫，得到CIGSSe薄膜。

本發(fā)明通過(guò)共蒸發(fā)法制備CIGS薄膜采用的設(shè)備是多源熱蒸發(fā)鍍膜系統(tǒng)，由機(jī)械泵、分子泵、真空腔體、束源爐、溫控儀、襯底加熱器、襯底旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、閘板閥、真空計(jì)等部件構(gòu)成。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)蒸發(fā)源獨(dú)立精確控溫，同時(shí)可對(duì)襯底加熱控溫，用于制備多元化合物半導(dǎo)體薄膜。

襯底加熱器的加熱方式為非接觸加熱，加熱器和襯底間保持1-5毫米間距，加熱器通過(guò)紅外熱輻射的方式對(duì)襯底加熱，確保襯底各處受熱均勻。

本發(fā)明共蒸發(fā)法制備CIGS薄膜的具體步驟如下：