[发明专利]具有梯度带隙分布的吸收层制备方法

说明书

技术领域：

本发明属于薄膜光伏技术领域，具体涉及一种制备铜铟镓硒太阳能电池吸收层的工艺。

背景技术：

铜铟镓硒（CIGSe）系列太阳能电池被认为是能够取代晶硅电池的第二代太阳能电池，是光电转换效率最高的薄膜太阳能电池之一，具有弱光效应好、成本低、寿命长、稳定性好、抗辐射能力强、可制成柔性光伏建材、抗热斑效应好等优点。铜铟镓硒（CIGSe）系列吸收层包括铜铟硒(CISe)、铜铟镓(CIG)、铜铟镓硒(CIGSe)、铜铟铝硒(CIASe)、铜铟硫(CIS)等化合物半导体薄膜。

[0003]目前，吸收层材料的制备主要有共蒸发法和预制层硒化法。共蒸发法制备的CIGSe系太阳能电池效率高，三步蒸发法可以制备梯度带隙的吸收层结构，实验室小面积光电转换效率可以超过20%，是薄膜太阳能电池中效率最高的。但是单独使用蒸发法制备吸收层对生产设备要求高，工艺难度大，不宜制备大面积均匀的吸收层，而且很难在高温蒸发下对铜、铟、镓、硒四个蒸汽压相差非常大的单质源进行独立精确控制。

先采用磁控溅射制备前驱合金膜，然后硒化处理是目前很多企业采用的工艺，但是后硒化无法获得合理的带隙结构。磁控溅射法在高功率溅射铟的过程中容易产生铟团，影响吸收层表面形貌，而铜铟(CI)、铜镓(CG)、铜铟镓(CIG)、铜铟镓硒(CIGSe)等各种合金靶制作成本较高，增大了成本；铟、镓的扩散系数不大，溅射单层铟、镓很难在后硒化过程获得良好的分布，间歇性溅射、多靶溅射、多层溅射增加了工艺难度和成本，对真空设备要求高。

单独使用涂布法制作吸收层，再进行热处理的方法不需要昂贵的真空设备，成本低，但是吸收层质量不高，和背电极附着力差，造成光电转换效率不高；目前所采用涂布法需要在含铜铟镓硒的酱料中添加接着剂、界面活性剂及溶剂，增加了吸收层中氧碳含量，进一步降低了吸收层质量。

研究发现，在铜铟镓硒（CIGSe）光吸收层中引入梯度带隙，可以有效的改善太阳能电池的光电转化效率。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，从而提高短路电流。

因此，需要一种工艺能够克服单独使用真空法或非真空法的弱点，在使用不太昂贵的普通真空设备的前提下，结合廉价的涂布设备，制备出具有合理带隙结构的吸收层。

发明内容：

本发明的目的是针对现有技术存在的问题和不足，提供一种使用普通真空设备，结合廉价的涂布设备制作CIGSe吸收层薄膜的方法。该方法使用普通的磁控溅射台、真空蒸镀机和涂布设备，就可以按照具体需求制作具有合理带隙的吸收层，还解决了单独使用真空法或涂布法的很多固有缺点。

技术方案：具有梯度带隙分布的吸收层制备方法，包含如下步骤：

（1）在包含衬底的基板上采用真空方法制备一层铜铟镓硒（CIGSe）、铜铟铝硒（CIASe）、铜铟硒（CISe）或铜铟镓硒硫（CIGSeS）吸收层薄膜；

    （2）在步骤（1）生成的薄膜上面采用涂布法制备至少一层铜铟镓硒（CIGSe）、铜铟铝硒（CIASe）、铜铟镓（CIG）、铜铟硫（CIS）或铜铟镓硒硫（CIGSeS）薄膜层；

    （3）在450^OC～850^OC的温度下，通过硒化热处理形成具有梯度带隙结构的吸收层。

所述的真空方法为磁控溅射法或蒸发法，或者磁控溅射与蒸发法相结合的方法，其中溅射和蒸发的先后顺序，以及溅射和蒸发的具体材料，可以根据需要进行灵活变换。

步骤（1）中所述的吸收层薄膜，是指带隙小于1.67ev（ev是带隙宽度单位），镓的原子含量为0≤Ga/(Ga+In)＜0.6的吸收层。 

步骤（1）中所述的吸收层薄膜，是通过真空方法直接制备获得，或者通过如下方法获得：先制备一种包含铜铟镓硒（CIGSe）、铜铟铝硒（CIASe）、铜铟硒（CISe）或铜铟镓硒硫（CIGSeS）元素的预制层；该预制层在步骤（1）或步骤（2）结束后，经过硒化热处理，生成镓(Ga)的原子含量为0≤Ga/(Ga+In)<0.6的吸收层薄膜。

步骤（1）中所述的吸收层薄膜，厚度为50nm～2000nm。

步骤（1）中所述的包含衬底的基板，可以是包含各种衬底、各种底电极、各种阻隔层、各种绝缘层、各种反射层、各种钝化层和各种缓冲层组成的基板。