[发明专利]铜铟镓硒薄膜太阳能电池的光吸收层的制备方法

说明书

【技术领域】

本发明涉太阳能电池技术，特别是涉及至少一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池的光吸收层的制备方法。

【背景技术】

铜铟镓硒薄膜太阳能电池的典型结构为多层膜结构，从入光面开始，依次包括：金属栅极层(Al)/透明电极层(AZO)/窗口层(ZnO)/缓冲层(CdS)/光吸收层(CIGS)/背电极层(Mo)/玻璃。其中光吸收层可以使用铜、铟、镓和硒的四源高温共蒸发工艺获得，为了保证入射光的充分吸收，吸收层的厚度一般大于2μm。

在铜铟镓硒薄膜电池的发展过程中，研究人员发现在CIGS光吸收层中引入梯度带隙，可以有效的改善电池器件的电学性质。这是因为梯度带隙产生的电势差将光生载流子驱离高复合区域，比如背电极和吸收层的界面，以及吸收层和缓冲层之间的节区，从而提高太阳能电池的短路电流。

梯度带隙来源于铜铟镓硒薄膜中不同区域内【Ga/(In+Ga)】比例值不同，【Ga/(In+Ga)】比例高的区域，带隙宽；【Ga/(In+Ga)】比例低的区域，带隙窄。这是因为CuInSe₂的禁带宽度为1.04eV，而CuGaSe₂的禁带宽度为1.68eV，当【Ga/(In+Ga)】比例值在吸收层两侧高，中间低，就产生了梯度带隙。

在制膜的过程中，Ga原子和In原子的振动幅度不同。一般来讲，膜内Ga的振动不好，In的振动好，更加利于扩散。所以In在薄膜内的扩散性能比Ga的好，在传统的CIGS光吸收层的蒸发工艺中，通过分阶段控制蒸发铜铟镓硒不同元素之间的比例和工艺时间，再通过较高衬底温度下的元素扩散，来粗略地实现的V型双梯度带隙。

但是，传统的工艺不能精确地实现理论设计的能带结构。

【发明内容】

基于此，有必要提供一种能够精确地实现理论设计的能带结构的铜铟镓硒薄膜太阳能电池的光吸收层的制备方法。

一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池的光吸收层的制备方法，将铜、铟、镓和硒四种单质分别蒸发沉积到衬底上，控制镓蒸发温度在900℃～1100℃内并且在蒸发过程中先均匀降温35℃～45℃再均匀升温35℃～45℃；控制铟的蒸发温度在800℃～1000℃内并且在蒸发过程中先均匀升温45℃～55℃再均匀降温45℃～55℃，从而主动控制镓和铟的蒸发量使得所述光吸收层在厚度方向上两侧的镓含量高于中间的镓含量。

优选的，所述蒸发过程中包括三个阶段：

第一阶段：控制衬底温度在200℃～300℃，控制镓的蒸发温度为900℃～1100℃之间并在第一阶段均匀地降温35℃～45℃，控制铟的蒸发温度为800℃～1000℃之间并在第一阶段均匀地升温45℃～55℃，控制硒的蒸发温度在200℃～300℃之间；第一阶段的蒸发时间为10min～20min，第一阶段结束后在所述衬底的一个表面形成第一光吸收层；

第二阶段：停止蒸发铟和镓，提高衬底温度在450℃～600℃之间，维持硒的蒸发温度与第一阶段相同，控制铜的蒸发温度在1300℃～1500℃之间；第二阶段的蒸发时间为10min～30min，并在沉积中的衬底的表面温度突然下降时立即停止蒸发；第二阶段结束后在所述第一光吸收层的表面形成第二光吸收层；

第三阶段：停止蒸发铜，维持衬底温度与第二阶段相同，维持硒的蒸发温度与第二阶段相同，控制镓的蒸发温度为900℃～1100℃并在第三阶段均匀地升温35℃～45℃，控制铟的蒸发温度为800℃～1000℃并在第三阶段均匀地降温45℃～55℃；第三阶段的蒸发时间为1min～3min，第三阶段结束后在所述第二光吸收层的表面形成第三光吸收层，从而得到所述铜铟镓硒薄膜太阳能电池的光吸收层。

优选的，第一阶段，镓的蒸发温度降低40℃，铟的蒸发温度升高50℃；

第三阶段，镓的蒸发温度升高40℃，铟的蒸发温度降低50℃。

优选的，所述蒸发过程包括二个阶段：

第一阶段、控制衬底温度在450℃～600℃，控制镓的蒸发温度为900℃～1100℃并在第一阶段均匀地降温35℃～45℃，控制铟的蒸发温度为800℃～1000℃并在第一阶段均匀地升温45℃～55℃，控制硒的蒸发温度在200℃～300℃，控制铜的蒸发温度在1300℃～1500℃之间；第一阶段的蒸发时间为8min～12min，第一阶段结束后在所述衬底的一个表面形成光吸收层I；