CN101728461A - 一种制备薄膜太阳能电池吸收层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种薄膜太阳能电池吸收层的制备方法，属于光电功能材料和新能源技术领域。其特征在于，采用真空磁控溅射法制备铜铟硒或铜铟镓硒或铜铟铝硒吸收层，直接使用铜铟硒或铜铟镓硒或铜铟铝硒合金靶材，由靶材成分控制吸收层成分，由溅射工艺控制成膜质量。磁控溅射法制备的吸收层随后还可在保护气氛中进行退火处理，以进一步改善结晶质量。本发明制备的吸收层由均一的铜铟硒相或铜铟镓硒相或铜铟铝硒相构成，成分分布均匀，并且与靶材成分一致。本发明工艺简便，易于控制，沉积时基体温度较低，可选择衬底种类多，适于工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜太阳能电池制备技术，特别涉及铜铟硒、铜铟镓硒、铜铟铝硒薄膜太阳能电池吸收层的制备方法，属光电功能材料和新能源技术领域。
背景技术
铜铟硒系薄膜太阳能电池具有效率高、成本低、无性能衰减、寿命长、可采用柔性基底等特点，是目前太阳能电池领域的主流技术之一。黄铜矿结构的CuInSe2(CIS)禁带宽度为1.04eV；在CIS中掺入适量的Ga部分代替In，形成的CuIn1-xGaxSe2(CIGS)禁带宽度可在1.04～1.67eV范围内连续可调；掺入适量的Al部分代替In，形成的CuIn1-xAlxSe2(CIAS)禁带宽度在1.04～2.67eV范围内连续可调。如再形成多结系统，可极大地提高光伏电池转换效率。铜铟硒系薄膜太阳能电池的结构一般为：减反射层/金属栅状电极/透明电极层/窗口层/缓冲层/光吸收层(CIS或CIGS或CIAS)/金属背电极/衬底，其中光吸收层是决定光伏电池性能的关键因素。光吸收层中各元素的化学配比和沿膜厚方向的成分分布对光吸收性能有着重要的影响，如通过调整吸收层中的成分分布以形成沿深度方向的带隙梯度分布，可进一步提高光伏电池转换效率【Miguel A.Contreras，et al.，Diode characteristics in state-of-the-artZnO/CdS/Cu(In1-xGax)Se2 solar cells，Progress in Photovoltaics：Research and Applications，13(2005)209-216；Marianna Kemell，et al.，Thin Film Deposition Methods for CuInSe2 Solar Cells，Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences，30(2005)1-31。】。
目前制备铜铟硒系吸收层的方法主要有真空法和非真空法。非真空法主要包括电沉积法、化学喷雾热解法、涂敷法、印刷法等，但是这些技术工艺稳定性不好，制备的吸收层转换效率普遍不高，难以制备大面积均匀膜层。真空法主要包括共蒸法和溅射法。共蒸法制备的电池效率比较高，目前报道的最高转换效率的CIGS薄膜电池即是用共蒸法实现的，接近20％。但是共蒸法要求对每种元素的蒸发速率和沉积量均要精确控制，要求设备具有很高的控制精度，设备的技术难度和造价均很高。溅射+硒化两步法是制备铜铟硒系吸收层的另一种主要方法。然而，硒化过程比较难以控制，而且有可能使用剧毒气体H2Se。Ga在硒化温度条件下很容易扩散并在CIGS/Mo的底层界面上富集，同时可能伴随有In2Se和Ga2Se等挥发气体的产生，导致吸收层成分改变。另外，硒化温度一般高于500℃，将对在大规模生产时均匀加热大面积衬底造成很大困难【Marianna Kemell，et al.，Thin Film Deposition Methods for CuInSe2Solar Cells，Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences，30(2005)1-31；F.Kessler，et.al，Approaches to flexible CIGS thin-film solar cells，Thin Solid Films，480-481(2005)491-498；Ingrid Repins，et al.，19.9％-efficient ZnO/CdS/CuInGaSe2 solar cell with 81.2％ fill factor，Progress in Photovoltaics：Research and Applications，16(2008)235-239；K.Kushiya，Improvementof electrical yield in the fabrication ofCIGS-based thin-film modules，Thin Solid Films，387(2001)257-261；李秋芳，Se元素在铜铟及铜铟镓薄膜中扩散过程的研究，清华大学硕士学位论文，2007年6月；郑麒麟，铜铟镓硒太阳能电池吸收层的制备和性能研究，清华大学硕士学位论文，2006年6月。】。
发明内容
本发明目的在于提供一种制备CIS或CIGS或CIAS吸收层的方法。
本发明提出的一种制备薄膜太阳能电池吸收层的方法，它采用真空磁控溅射法沉积吸收层，其特征在于：所述溅射用靶材直接采用铜铟硒CuInSe2，或铜铟镓硒CuIn1-xGaxSe2，0≤x≤1，或铜铟铝硒CuIn1-xAlxSe2，0≤x≤1合金靶材，通过调整靶材成分控制吸收层成分，通过调整溅射工艺和退火工艺控制吸收层质量。
在上述的制备方法中，所述溅射用工作气体为氩气，工作气压为0.2至3Pa，功率密度为0.2至3W/cm2，衬底温度为20至500℃，溅射时间为0.2至3小时。
在上述的制备方法中，所述溅射工艺制成的吸收层薄膜还可在保护气氛中经退火处理，所述退火温度为100至500℃，退火时间为10分钟至10小时。
在上述的制备方法中，所述退火时的保护气氛为真空或充入保护性气体，所述的真空为20Pa以下，所述的保护性气体为硒蒸气、硒化氢(H2Se)气体、氢气、氮气或氩气类惰性气体，或者是上述两种或多种气体的混合气体，所述保护性气体的压强为1Pa～1个标准大气压。
本发明制备的吸收层由均一的铜铟硒相(CuInSe2)或铜铟镓硒相(CuIn1-xGaxSe2)或铜铟铝硒(CuIn1-xAlxSe2)相构成，成分分布均匀并且与靶材成分一致。溅射时衬底温度较低，因此减小了衬底软化和变形的可能性，衬底材料选择范围大。另外，通过溅射CIS或CIGS或CIAS合金靶材，Se元素可直接掺入吸收层内，因此可省去硒化工艺。与溅射+硒化两步法相比，该方法具有以下优势：(1)通过调整靶材成分易于控制吸收层成分；(2)通过连续溅射一系列具有不同成分比率的靶材易于获得具有不同带隙梯度的吸收层；(3)通过调整溅射工艺和退火工艺易于控制成膜质量；(4)可省去硒化工艺。因此，可简化CIS或CIGS或CIAS薄膜太阳能电池的制备工艺，缩短工艺时间，有利于工业化规模生产。
具体实施方式
本发明采取的技术方案为：采用真空磁控溅射法制备CIS或CIGS或CIAS吸收层；溅射靶材直接采用CIS或CIGS或CIAS合金靶材，其成分与所需吸收层成分一致；衬底可采用钠钙玻璃、金属箔片(如不锈钢、钛、钼、铝、铜等)，聚酰亚胺等，先在衬底表面涂敷一层金属Mo膜作为背电极，对于柔性衬底，可在衬底和背电极间加入必要的过渡层(如氧化物薄膜)，以提高背电极与衬底间的结合性能，避免衬底成分对背电极和吸收层产生影响，然后通过磁控溅射工艺在涂敷有金属背电极的衬底(简称：金属背电极/衬底)上直接生长CIS或CIGS或CIAS吸收层薄膜；溅射时的工作气体为氩气。在溅射后，还可对吸收层进行在保护气氛中的退火处理，以进一步提高结晶质量。
本发明的具体方法和步骤如下：
将CIS或CIGS或CIAS合金靶材和金属背电极/衬底装入磁控溅射设备中，抽真空至1×10-2Pa以下，然后通入氩气至0.2～3Pa，加热衬底至20～500℃，启动电源，开始溅射。溅射时的功率密度为0.2至3W/cm2，溅射时间为0.2至3小时。溅射后，样品在真空环境内随炉冷却至室温，或者随后在保护气氛中进行退火处理。退火温度为100至500℃，退火时间为10分钟至10小时，退火后样品在保护气氛中随炉冷却至室温时取出。所述退火处理的保护气氛为真空或充入保护性气体，所述的真空为20Pa以下，所述的保护性气体为硒蒸气、硒化氢(H2Se)气体、氢气、氮气或氩气类惰性气体，或者是上述两种或多种气体的混合气体，所述保护性气体的压强为1Pa～1个标准大气压。
以下介绍本发明的实施例，但本发明绝非仅限于实施例。
实施例1
将CIS或CIGS或CIAS合金靶材和金属背电极/衬底装入磁控溅射设备中，抽真空至1×10-2Pa以下，然后通入氩气至0.2Pa，加热衬底至150℃，启动电源，开始溅射。溅射时的功率密度为1W/cm2，溅射时间为2小时。溅射后样品在真空环境内随炉冷却至室温，制得CIS或CIGS或CIAS吸收层。
实施例2
将CIS或CIGS或CIAS合金靶材和金属背电极/衬底装入磁控溅射设备中，抽真空至1×10-2Pa以下，然后通入氩气至2Pa，加热衬底至500℃，启动电源，开始溅射。溅射时的功率密度为3W/cm2，溅射时间为0.2小时。溅射后样品在真空环境内随炉冷却至室温，制得CIS或CIGS或CIAS吸收层。
实施例3
将CIS或CIGS或CIAS合金靶材和金属背电极/衬底装入磁控溅射设备中，抽真空至1×10-2Pa以下，然后通入氩气至1Pa，加热衬底至20℃，启动电源，开始溅射。溅射时的功率密度为2W/cm2，溅射时间为3小时。溅射后样品在真空环境内随炉冷却至室温，制得CIS或CIGS或CIAS吸收层。
实施例4
将CIS或CIGS或CIAS合金靶材和金属背电极/衬底装入磁控溅射设备中，抽真空至1×10-2Pa以下，然后通入氩气至3Pa，加热衬底至300℃，启动电源，开始溅射。溅射时的功率密度为0.2W/cm2，溅射时间为1小时。溅射后样品在真空环境内随炉冷却至室温，制得CIS或CIGS或CIAS吸收层。
实施例5
按实施例1，或实施例2，或实施例3，或实施例4的方法制得CIS或CIGS或CIAS吸收层，随后将其置于退火炉中，抽真空至20Pa以下，保持真空条件或者通入保护性气体，如：硒蒸气、硒化氢(H2Se)气体、氢气、氮气或氩气类惰性气体，或者是上述两种或多种气体的混合气体，保护性气体的压强为1Pa～1个标准大气压，然后加热样品至100℃，保温10小时后在保护气氛中随炉冷却至室温时取出，进一步改善吸收层结晶质量。
实施例6
按实施例1，或实施例2，或实施例3，或实施例4的方法制得CIS或CIGS或CIAS吸收层，随后将其置于退火炉中，抽真空至20Pa以下，保持真空条件或者通入保护性气体，如：硒蒸气、硒化氢(H2Se)气体、氢气、氮气或氩气类惰性气体，或者是上述两种或多种气体的混合气体，保护性气体的压强为1Pa～1个标准大气压，然后加热样品至200℃，保温5小时后在保护气氛中随炉冷却至室温时取出，进一步改善吸收层结晶质量。
实施例7
按实施例1，或实施例2，或实施例3，或实施例4的方法制得CIS或CIGS或CIAS吸收层，随后将其置于退火炉中，抽真空至20Pa以下，保持真空条件或者通入保护性气体，如：硒蒸气、硒化氢(H2Se)气体、氢气、氮气或氩气类惰性气体，或者是上述两种或多种气体的混合气体，保护性气体的压强为1Pa～1个标准大气压，然后加热样品至300℃，保温2小时后在保护气氛中随炉冷却至室温时取出，进一步改善吸收层结晶质量。
实施例8
按实施例1，或实施例2，或实施例3，或实施例4的方法制得CIS或CIGS或CIAS吸收层，随后将其置于退火炉中，抽真空至20Pa以下，保持真空条件或者通入保护性气体，如：硒蒸气、硒化氢(H2Se)气体、氢气、氮气或氩气类惰性气体，或者是上述两种或多种气体的混合气体，保护性气体的压强为1Pa～1个标准大气压，然后加热样品至500℃，保温10min后在保护气氛中随炉冷却至室温时取出，进一步改善吸收层结晶质量。
Claims (4)
1.一种制备薄膜太阳能电池吸收层的方法，它采用真空磁控溅射法沉积吸收层，其特征在于：所述溅射用靶材直接采用铜铟硒CuInSe2，或铜铟镓硒CuIn1-xGaxSe2，0≤x≤1，或铜铟铝硒CuIn1-xAlxSe2，0≤x≤1合金靶材，通过调整靶材成分控制吸收层成分，通过调整溅射工艺和退火工艺控制吸收层质量。
2.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述溅射用工作气体为氩气，工作气压为0.2至3Pa，功率密度为0.2至3W/cm2，衬底温度为20至500℃，溅射时间为0.2至3小时。
3.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述溅射工艺制成的吸收层薄膜还可在保护气氛中经退火处理，所述退火温度为100至500℃，退火时间为10分钟至10小时。
4.按照权利要求1或3所述的制备方法，其特征在于：所述退火时的保护气氛为真空或充入保护性气体，所述的真空为20Pa以下，所述的保护性气体为硒蒸气、硒化氢(H2Se)气体、氢气、氮气或氩气类惰性气体，或者是上述两种或多种气体的混合气体，所述保护性气体的压强为1Pa～1个标准大气压。
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