CN101527332A - 一种高效薄膜太阳能电池光吸收层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及半导体薄膜的制备中光伏新能源技术领域,特别涉及一种高效薄膜太阳能电池光吸收层的制备方法,将Cu2S、S加入到联氨溶液中混合均匀得溶液A;将In2Se3和Se加入到联氨溶液中或将In2S3和S加入到联氨溶液中制得溶液B;将Se或S加入到联氨溶液中制得溶液C;将Ga和Se加入到联氨溶液中或将Ga和S加入到联氨溶液中制得溶液D;将上述制备而得的溶液A、B、C、D或A、B、C混合制成反应前驱体溶液;然后将前驱体溶液采用物理法覆在导电衬底上制备CIGS薄膜。本发明同现有技术相比,工艺简单,可精确调控吸收层中各金属原子比例,且能保持14~18%的较高的光电转化效率,免除硒化或硫化后处理工艺。

Description

一种高效薄膜太阳能电池光吸收层的制备方法

[技术领域]

本发明涉及半导体薄膜的制备中光伏新能源技术领域,特别涉及一 种高效薄膜太阳能电池光吸收层的制备方法。 [背景技术]

铜铟(镓)硒(硫)包括铜铟镓硒(Cu(In,Ga)Se2)、铜铟硒(CuInSe2) 或铜铟镓硫(Cu(In,Ga)S2)、铜铟硫(CuInS2)薄膜(统称CIGS)太阳 能电池是20世纪80年代后期开发出来的新型化合物半导体太阳能电池。 CIGS电池的典型结构为:玻璃(不锈钢)衬底、背电极层(Mo)、吸收层 (CIGS)、缓冲层(CdS)、双层结构的ZnO窗口层、本征ZnO(i-ZnO)层、掺 Al低阻透明ZnO(Al:ZnO)层和铝电极。其中CIGS薄膜为光吸收层,是 CIGS太阳电池的核心材料。制备高效CIGS电池的关键之一是要获得高 质量的CIGS多晶薄膜。高质量的CIGS薄膜应该偏离材料化学计量比较小, 具有单一黄铜矿结构,具有较好的致密性及较大的晶粒。这样材料的光 学和电学特性就相应较好,从而有利于电池转换效率的提高。

目前制备CIGS吸收层主要有三种方法:磁控溅射、真空(电子束) 蒸发、电化学沉积法。真空(电子束)蒸发法,包括两种工艺,分别是: (1)共蒸Cu、 In、 Ga合金预制膜,然后硒(硫)化。(2)Cu、 In、 Ga、 Se (S)共蒸发;磁控溅射一般首先溅射CuIn和CuGa沉积CuInGa合金预 制层,然后硒(硫)化;电化学沉积法则采用电沉积和硒(硫)化退火 的方法在镀钼电极的基片上制备出高质量的CIGS多晶薄膜。

现有技术采用的磁控溅射、共蒸发、电镀等方法制备的CIGS太阳能 电池转换效率较高,但是需要高真空系统进行薄膜的制备,成本较高,大面积制备均匀性较差,硒(硫)工艺温度较高(400-550°C),且硒(硫) 化过程中使用的仏Se (H2S)或Se (S)均是剧毒物质,环保成本高,对 其保存和使用的操作要求比较严格,严重影响了CIGS的制备。 [发明内容]

本发明的目的是提供一种高效CIGS薄膜太阳能电池光吸收层的制 备方法,不但可以低成本制备CIGS薄膜,而且可以避免硒(硫)化后 处理过程,操作简易,有利于大面积生产和环保要求及光伏能源的开发 利用。

为实现上述目的,本发明一种高效薄膜太阳能电池光吸收层的制备 方法,其特征在于:

首先,制备反应前驱体溶液:

a、 在无氧干燥的惰性气氛中分别制备如下4种溶液:将Cu2S、 S 加入到联氨溶液中混合均匀得溶液A;将In2Se3和Se加入到联氨溶液中 或将In^和S加入到联氨溶液中制得溶液B;将Se或S加入到联氨溶 液中制得溶液C;将Ga和Se加入到联氮溶液中或将Ga和S加入到联氨 溶液中制得溶液D;

b、 制得反应前驱体溶液:取上述制备而得的溶液A、 B、 C、 D或A、 B、 C混合后放入干燥器中,经充分搅拌过滤,制得反应前驱体溶液;

然后,采用物理方法制备CIGS薄膜:在惰性气氛中将制备的反应 前驱体溶液采用物理法覆在导电衬底上,经热处理后制得CIGS薄膜。

通过调节溶液A、 B、 C、 D的浓度和体积比,从而控制CIGS薄膜中 Cu: In: Ga: Se或S原子摩尔比为l: 0. 7〜1: 0〜0. 3: 2。

所述导电衬底为In203:Sn或Sn(kF或ZnO:Al或Mo或Al或Ag。所述物理方法为旋涂法或提拉法或丝网印刷法或喷涂法。 本发明同现有技术相比,采用化学反应制备前驱体溶液后经旋涂等

物理方法制备的CIGS太阳能电池光吸收层,其制备工艺简单,可精确 控制和调节吸收层中各金属原子比例,且能保持14〜18%的较高的光电 转化效率,更适合于工业化大面积生产和开发新一代光伏材料;且制备 的高效CIGS薄膜太阳能电池光吸收层还具有沉积温度低、设备简单、 成本低、效率高、性能稳定和免除复杂的硒化或硫化后处理工艺等优点。 [附图说明]

图1为本发明中CIGS薄膜太阳能电池的结构示意图。 图2为本发明一个实施例中CIGS薄膜太阳能电池的电流一电压曲线图。

图3为本发明另一个实施例中CIGS薄膜太阳能电池的电流一电压曲 线图。

图4为本发明又一个实施例中CIGS薄膜太阳能电池的电流一电压曲 线图。

指定图l为摘要附图。 [具体实施例] 实施例l

首先,在氮气保护气氛中分别制备如下溶液:

制备溶液A:称取l. 283g Cu2S、 0.512gS加入到16mL的联氨溶液中, 经10h的搅拌反应后静置形成澄清黄色溶液A;

制备无色溶液B:将2.486g In2Se:^P0.421g Se溶解在16mL的联氨溶 液中制备得到;制备溶液C:将1.264g的Se溶解到8mL的联氨中反应而成;

制备溶液D:继续称取0.561g Ga、 1. 264g Se置于16mL的联氨溶液 中得到无色溶液D。

然后,分别移取溶液A 2. OmL、溶液B 2. 3mL、溶液C 2. 5mL和溶液D 1.2mL,混合放入干燥容器中,经充分搅拌过滤后,在氮气氛围中采用 旋涂法以850rpm的转速涂覆到镀Mo玻璃衬底上,经300。C恒温10min热处 理后,以10〜25。C/min的程序升温至450〜55(TC,保持45min,最终得 到Cu(In,Ga)Se2薄膜,即铜铟镓硒薄膜,采用本例中制备方法制备的铜 铟镓硒薄膜,再按图1所示的结构制备的CIGS薄膜太阳能电池,用100w 的模拟太阳光照射CIGS薄膜太阳能电池,电流-电压曲线参见图2,从图 上可以看出,所制备的太阳能电池开路电压为635mV,短路电流密度为 35. 2mA/cm—2,光电转换效率达到15. 2%。

实施例2

首先,在氮气保护气氛中分别制备如下溶液:

制备溶液A:称取O. 803g的Cii2S、 0. 321g的S加入到10mL的联氨溶 液中,经10h的搅拌反应后静置形成溶液A;

制备溶液B:将2.3411g的lri2Se3和0.395g的Se溶解在10mL的联氨 溶液中制备得到;

制备溶液C:将0.956g的Se溶解到5mL的联氨中反应而成。

然后,分别移取溶液A 2.0mL、溶液B 2. OmL、溶液C 2.4mL,混合 放入干燥容器中,经充分搅拌过滤后,在氮气氛围中采用喷涂法涂覆到 镀Mo玻璃衬底上,经30(TC恒温5min热处理后,以10〜25tVmin的程序 升温至450〜55(TC,保持45min,最终得到CuInSe2薄膜,即铜铟硒薄膜,采用本例中制备方法制备的铜铟镓硒薄膜,再按图l所示的结构制备

CIGS薄膜太阳能电池,用100w的模拟太阳光照射CIGS薄膜太阳能电池, 电流-电压曲线参见图3,从图上可以看出,所制备的太阳能电池开路电 压为622mV,短路电流密度为34. 3mA/cm—2,光电转换效率达到14. 5%。 实施例3

首先,在氮气保护气氛中分别制备如下溶液:

制备溶液A:称取0.955g的Cu2S和0. 382g的S加入到12mL的联氨溶 液中,经10h的搅拌反应后静置形成溶液A;

制备溶液B:将1.9434g的lri2S3和0. 1909g的S溶解在12mL的联氨溶 液中制备得到;

制备溶液C:将0.384g的S溶解至lj6mL的联氨中反应而成。

然后,分别移取溶液A 4.0mL、溶液B 4. OmL、溶液C 1. 6mL,混合 放入干燥容器中,经充分搅拌过滤后,在氮气氛围中采用喷涂法涂覆到 镀Mo玻璃衬底上,经300。C恒温5min热处理后,以10〜25X:/min的程序 升温至450〜55(TC,保持45min,最终得到CuInS2薄膜,即铜铟硫薄膜, 采用本例中制备方法制备的铜铟镓硒薄膜,再按图l所示的结构制备 CIGS薄膜太阳能电池,用100w的模拟太阳光照射CIGS薄膜太阳能电池, 电流-电压曲线参见图4,从图上可以看出,所制备的太阳能电池开路电 压为632mV,短路电流密度为36.8mA/cnT2,光电转换效率达到16. 1%。

Claims (4)

1.一种高效薄膜太阳能电池光吸收层的制备方法,其特征在于: (1)制备反应前驱体溶液: a、在无氧干燥的惰性气氛中分别制备如下4种溶液:将Cu2S、S加入到联氨溶液中混合均匀得溶液A;将In2Se3和Se加入到联氨溶液中或将In2S3和S加入到联氨溶液中制得溶液B;将Se或S加入到联氨溶液中制得溶液C;将Ga和Se加入到联氨溶液中或将Ga和S加入到联氨溶液中制得溶液D; b、制得反应前驱体溶液:取上述制备而得的溶液A、B、C、D或A、B、C混合后放入干燥器中,经充分搅拌过滤,制得反应前驱体溶液; (2)采用物理方法制备CIGS薄膜:在惰性气氛中将制备的反应前驱体溶液采用物理法覆在导电衬底上,经热处理后制得CIGS薄膜。
2. 如权利要求1所述的一种高效薄膜太阳能电池光吸收层的制备方 法,其特征在于:CIGS薄膜中Cu: In: Ga: Se或Cu: Im Ga: S 原子摩尔比为1: 0. 7〜1: 0〜0. 3: 2。
3. 如权利要求1所述的一种高效薄膜太阳能电池光吸收层的制备方 法,其特征在于:所述导电衬底为In20:,:Sn或Sn02:F或ZnO:Al或Mo 或Al或Ag。
4. 如权利要求1所述的一种高效薄膜太阳能电池光吸收层的制备方 法,其特征在于:所述物理方法为旋涂法或提拉法或丝网印刷法或喷 涂法。
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