[发明专利]一种制备铜铟镓硒薄膜的等离子体协助硒化工艺及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备铜铟镓硒薄膜的等离子体协助硒化工艺，属于太阳能发电技术领域。

背景技术

CIGS(铜铟镓硒薄膜薄膜电池)类为代表的新一代薄膜电池由于具有吸收率高、带隙可调、成本低廉、转换率高、弱光性好、性能稳定以及抗辐射能力强等优点，而被公认为是第三代太阳能电池的最佳材料之一，因而已成为当前国际光伏界的研究热点。CIGS电池是以CIGS材料为光吸收层的一类薄膜电池。近年来在其优良性能和巨大需求背景之下，包括美国可再生能源实验室NREL、全球太阳能GSE、壳牌太阳能Shell Solar、日本本田Honda、昭和壳牌石油Showa Shell、德国伍尔特Wurth Solar等全球近50家公司机构投入巨额财力和人力进行研发与生产，2009年全球CIGS电池产能超过660MW，增幅超过300％，显示出良好的发展势头。

在CIGS电池光吸收层材料CIGS薄膜的制备方式中，除了共蒸发制程以外(大面积产业化时均匀性差)，其它方式如溅射制程、非真空涂布或电镀制程均需经过硒化处理。目前，工业界较为流行的硒化路线大致分为两类：快速硒化RTP工艺及H₂Se气态源硒化工艺。RTP工艺一般是预蒸发一定量Se，然后快速退火硒化得到CIGS薄膜，可减少In₂Se₃挥发，但是由于该工艺是近年来才发展起来的新工艺，在薄膜均匀性及玻璃应力克服方面还有待改进，其电池效率也明显低于传统H2Se气态源硒化工艺制备的电池效率，因而当前CIGS薄膜太阳电池生产企业大多还是采用H₂Se气体进行硒化。因为H₂Se在高温下分解为H₂和Se原子，反应活性高，制备出的CIGS薄膜结晶品质高，均匀性好。但是H2Se气体剧毒，且属易燃易爆气体，因而对硒化炉的气密性设计要求非常高，同时需配备监测系统及尾气处理装置。再有，H₂Se气体中水汽含量及对设备的腐蚀问题也不容忽视。而最大障碍还是其来源问题，当前高纯H₂Se气体几乎都是依赖进口，其价格十分昂贵，每公斤价格接近2万，按年消耗400kg，初步估算一年30MW线光是H₂Se气体已近千万，无疑增加了电池成本，同时货源受制于西方国家管制，需要通过美国商务部等相关部门的审批，手续及渠道非常繁琐。因而当前国内外光伏界正积极研发固态源硒化设备及工艺。所谓固态源硒化，即采用加热固态Se粉或颗粒，成为Se蒸气，进而与铜铟镓金属预置层或前驱体发生硒化反应，得到CIGS薄膜。固态源硒化几乎无毒，符合环保要求；同时成本低廉，设备简单，因而可有效降低生产成本。但是，固态源硒化还存在许多缺点，比如简单热蒸发产生的Se蒸气一般为多个Se原子组成Sex(x≥2)大分子团，反应活性不高，因而经常造成金属前驱体硒化不完全，硒化时间过长，硒化温度偏高，硒化过程中Ga的偏聚及MoSe₂过厚，反应量不易控制，薄膜均匀性及重复性都比较差，所以制备的电池效率都比较低，虽然早在上世纪末就有固态源硒化工艺报道，但由于存在以上问题，因而至今仍无商业化成功范例。