[发明专利]一种CIGS太阳能电池吸收层的制备设备及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光电材料领域，尤其涉及一种CIGS太阳能电池吸收层的制备设备及其制备方法。

背景技术

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CuInxGa(1-x)Se2 的缩写。CIGS电池的电池结构一般如图1所示，包括衬底(10)、背电极(20)、吸收层P-CIGS(30)、缓冲层N-CdS(40)、窗口层i-ZnS(50)、透明导电极TCO(60)/AZO(70)，其中CIGS薄膜的成分和质量直接影响并决定着整个电池的性能效率，现阶段吸收层的制备主要有真空法和非真空法，其中真空法包括共蒸发法和溅射-后硒化法，非真空法主要包括电沉积法和丝网印刷。

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，转换效率较高的电池组件都采用真空法工艺制备，共蒸发法是将Cu、In、Ga、Se分别作为蒸发源，通过调节各自蒸发速率控制薄膜的成分；溅射-后硒化是通过溅射工艺制备CIG预制层，然后在Se蒸汽或H₂Se气氛中进行高温硒化制备CIGS薄膜。2008年美国国家新能源实验室（NREL）利用三步共蒸发制备出的吸收层其小面积电池转换效率在19.9%，2012年Miasole公司利用溅射-后硒化工艺制备的CIGS薄膜其电池转换效率达到17.3%。

虽然现在采用共蒸发和溅射-后硒化工艺制备的CIGS太阳能电池转换效率得到一定提高，但仍存在很多问题。

共蒸发工艺具有可精确控制薄膜成分比的特点，但由于设备复杂、成本昂贵且重复性不好，不适于大规模生产；溅射-后硒化工艺产品成本相对较低，但制备的薄膜成分难以控制，同时在后硒化过程中薄膜体积膨胀，使其与衬底Mo金属层的附着力变差，硒化后的CIGS薄膜易于脱落。同时硒化过程由于晶格及晶相的改变容易造成薄膜表面易于产生微米级的空洞，并且多工艺制备的薄膜使其更易在薄膜内部引入其他杂质与缺陷。而通过非真空法（电沉积法和丝网印刷等）制备的CIGS薄膜，其太阳能电池转换效率一直很低。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种CIGS太阳能电池吸收层的制备设备及其制备方法，旨在解决现阶段蒸发工艺的复杂昂贵与溅射-后硒化工艺制备的CIGS薄膜成分难以控制的缺点。

本发明是这样实现的，一方面，提供一种CIGS太阳能电池吸收层的制备方法，包括以下步骤：（1）放置样品与安装靶材；（2）关闭真空室，进行抽真空；（3）溅射和硒化制备CIGS薄膜，其中，在步骤（1）中，所述样品为镀Mo层的衬底，所述衬底采用玻璃、石英或金属衬底，所述靶材由Cu、In、Ga三种元素组成的靶材或由Cu、In、Ga三种元素任一种或两种组成的靶材。

具体地，在步骤（2）中，所述关闭真空室，进行抽真空是通过采用机械泵与分子泵进行的，当所述真空室达到所需真空度后，通过气体进气口注入Ar和H₂Se气体，并通过真空泵调节所述真空室的气压至一定压强，准备进行溅射，其中，所述H₂Se气体的含量为1-10%。

具体地，在步骤（3）中，所述靶材溅射在镀Mo层的衬底上，并在所述镀Mo层的衬底上沉积CIG预制层，同时，H₂Se气体以一定浓度通过气体进气口注入所述真空室内，在溅射制备出CIG薄膜的同时，所述H₂Se气体与CIG预制层反应硒化，形成所述CIGS薄膜，其中，所述CIGS薄膜的成分可通过改变所述靶材的溅射功率和所述H₂Se气体的含量来进行调节。