[发明专利]高转化效率铜铟镓硒薄膜太阳能电池吸收层的制备设备及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池吸收层的制备设备及其制备方法，属于太阳能电池技术领域。

铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池是多元化合物太阳能电池的一种，它具有转化效率高、稳定性好、抗辐照性能好、成本低等优点。CIGS是铜铟镓硒薄膜太阳能电池吸收层化学成份CuIn_xGa_(1-x)Se₂的缩写。

如附图1所示，铜铟镓硒薄膜太阳能电池是多层膜结构组件，其主要结构有：基底(通常是玻璃)、背电极(通常是Mo)、吸收层(p-CIGS)、缓冲层(通常是n-CdS)、透明导电层(通常是本征ZnO及Al掺杂ZnO双层结构)、上电极(通常为Ni/Al)、减反射层(通常是MgF₂，不一定要有)。各层膜的结构与特性都将影响CIGS电池的性能。

铜铟镓硒薄膜太阳能电池中吸收层的品质直接制约着铜铟镓硒薄膜太阳能电池的性能，因而在电池的制备过程中吸收层的制备工艺非常关键。如果薄膜中各元素成分配比不合适，则可能形成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化合物半导体的电学、光学性能及能隙宽度与材料的组分比之间也有着十分密切的关系，CIGS膜层中各种元素的化学计量比将直接影响铜铟镓硒薄膜太阳能电池的稳定性和光电转化效率。

目前，铜铟镓硒薄膜太阳能电池吸收层的制备工艺主要有真空法和非真空法两类，其中真空法主要有共蒸发法和预制层硒化法；非真空工艺主要有电沉积法、印刷法等，非真空工艺路线制备的CIS基电池目前光电转化效率还比较低，

迄今为止世界上最高光电转换效率的CIGS基薄膜太阳能电池由美国国家可再生能源实验室(NREL)制备，采用共蒸发工艺。共蒸发可分为一步法、两步法和三步法。一步法是在基板温度为450-550℃时，组成CIGS吸收层的全部元素同时蒸发。在薄膜沉积过程中，调整各元素的蒸发速率；以获得混合均匀、化学计量比合适的CIGS化合物，整个过程一步完成。该工艺由于涉及的工艺参数调整比较复杂，整个制备过程比较难以控制。

美国NREL高转化效率的CIGS薄膜采用的是三步共蒸发工艺制备的。第一步，基底温度较低的情况下(400℃)蒸发In、Ga、Se形成一层In-Ga-Se预置层，其中控制原子比例In∶Ga＝0.7∶0.3，(In+Ga)∶Se＝2∶3；第二步，升高基底温度到570℃，蒸发Cu、Se，其目的是为了借助低熔点的Cu_2-xSe在高温下具有液相般的特性来促进晶粒生长，得到大尺寸且致密的膜层，这两层复合可转化为稍微富铜的CIGS；第三步，保持第二步的基底温度，蒸发In、Ga、Se，使多余的Cu_2-xSe转化成等化学计量比的CIGS，继续蒸发少量的In、Ga、Se，可得到稍微贫铜的CIGS p型黄铜矿结构，并控制Cu/In+Ga的比例在0.88-0.92这个狭小的范围内。样品随后在蒸发Se的同时冷却到400℃，关闭Se再冷却到室温。

德国伍尔特(wurth solar)也采用共蒸发进行了小规模生产。但是共蒸发工艺难以实现大面积均匀性很好的成膜，且重复性也难以控制，因此不适合大规模产业化生产。共蒸发的优点是可以获得混合均匀且化学计量比合适的CIGS膜层，前提是要能精确控制每一种蒸发物的蒸发速率及分布，这对于大面积来说实现起来比较困难。

预制层硒化法主要步骤包括：1)预制膜制备工艺，主要通过磁控溅射、蒸发法等方法制备Cu、In(Ga)合金预制膜或Cu、In(Ga)、Se的混合物膜。2)硒化工艺，主要通过在含硒的气氛下(包括硒源和硒化氢源)对预制膜进行退火。退火温度一般控制在400～600℃。