CN101752451A - 一种薄膜太阳电池吸收层的制备方法 - Google Patents

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方小红
赵彦民
冯金晖
杨立
李巍
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Abstract

本发明涉及一种薄膜太阳电池吸收层的制备方法，包括制备预制层和硒化或硫化反应；制备预制层制得含有部分Se或S的预制层；硒化或硫化反应：将镀有钼和预制层的衬底硒化或硫化处理后，预制层即转变为吸收层。由于制备的预制膜中含有Se或S，将镀有钼和预制层的衬底在特定的温度下，固态硒源或硫源硒化或硫化彻底、完全、均匀，使预制层转变为铜铟镓硒或铜铟镓硫吸收层，有效提高吸收层薄膜性能，满足薄膜太阳电池的要求，从而提高电池性能，并且设备简单，过程可控。

Description

一种薄膜太阳电池吸收层的制备方法
技术领域
本发明属于太阳电池制备技术领域，特别是涉及一种薄膜太阳电池吸收层的制备方法。
背景技术
以黄铜矿结构的化合物半导体铜铟硒CuInSe2(CIS)和铜铟镓硒CuIn1- XGaXSe(CIGS)系列混溶晶体为直接带隙材料，以其作为吸收层的薄膜太阳电池，被认为是最有发展前景的第三代化合物光伏电池之一，吸收层的组成包括：CuInSe2，CuIn1-XGaXSe2，CuInS2，CuIn1-XGaXS2，CuIn1-XGaXSe2-XS2等。现有的铜铟镓硒(硫)薄膜太阳电池，是在20世纪80年代后期开发出来的新型太阳电池，是在钠钙玻璃或不锈钢箔、钛箔、钼箔、铝箔等金属箔或聚酰亚胺膜衬底上分别沉积多层薄膜构成的太阳电池，典型结构为：衬底/底电极/吸收层/缓冲层/窗口层/减反射膜/上电极的多层膜结构。研究表明，吸收层CIGS薄膜对电池性能起着决定性的作用。由于吸收层的元素成分多、结构复杂，主要由Cu、In、Ga、Se或/和S四种或五种元素合成，并且是由多种相互固溶的化合物构成，吸收层中Cu、In、Ga、Se或/和S等元素的化学配比及其分布是决定电池性能的重要因素。
目前，CIGS吸收层的制备方法主要分为两类：第一类方法是多元共蒸发法，以Cu、In、Ga和Se为源在真空室中进行反应共蒸发，或将Cu+Se、In+Se、Ga+Se等二元分布共蒸发，其不足之处是共蒸发法要求每种元素的蒸发速率和在衬底上的沉积量都要求精确控制，才能得到均匀的薄膜；第二类方法是金属预制层后硒化法，先在衬底上按配比沉积Cu、In、Ga层，再在Se气氛中Se化，最终形成满足配比要求的CuIn1-XGaXSe2多晶薄膜。同样用硫替代硒，进行硫化反应或先硒后硫分步法的化学热处理，形成CuIn1-XGaXS2或CuIn1-XGaXSe2-XS2。第二类方法由于其利于产业化等优点而受到广泛关注，其中尤其以溅射后硒化方法应用最广泛，其技术特点为采用单质或合金靶材溅射金属预制膜Cu-In-Ga，而后采用硒化氢或固态硒源硒化，但由于硒化氢剧毒而采用固态硒源则制备的吸收层薄膜的成分不易控制，使得制备的吸收层薄膜的性能不如共蒸发法好。
发明内容
本发明为解决现有技术中存在的问题，提供了一种操作简单、过程可控，能够提高吸收层薄膜性能，从而提高电池性能的薄膜太阳电池吸收层的制备方法。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题采用的技术方案是：
薄膜太阳电池吸收层的制备方法，其特点是：包括制备预制层和硒化或硫化反应；
制备预制层为：采用真空磁控溅射设备将含有Se或S的CuIn和CuGa靶材同时或先后溅射在镀钼的衬底上，制得含有部分Se或S的预制层；或者采用真空磁控溅射设备将含有Se或S的CuInGa合金靶材溅射在镀钼的衬底上，制得含有部分Se或S的预制层；
硒化或硫化反应：将镀有钼和预制层的衬底放入真空加热炉内，快速、均匀的升温，使得基片所在区域温度控制在400-590℃，固态硒源或硫源所在区域温度控制在180-300℃，依据金属预制层的厚度，进行10-30min的硒化或硫化处理后，预制层即转变为吸收层。
本发明还可以采用如下技术措施：
所述薄膜太阳电池的吸收层制备方法，其特点是：含Se或S的CuIn和CuGa靶材中Cu与In或Ga以及Se或S的原子比例为：0.7～1.1∶1.0∶0.5～2。
所述薄膜太阳电池的吸收层制备方法，其特点是：所述衬底为玻璃或柔性金属或聚酰亚胺膜中一种。
所述薄膜太阳电池的吸收层制备方法，其特点是：所述柔性金属为钛箔或不锈钢箔。
本发明具有的优点和积极效果：
由于制备的预制膜中含有Se或S，将镀有钼和预制层的衬底在特定的温度下，固态硒源或硫源硒化或硫化彻底、完全、均匀，使预制层转变为铜铟镓硒或铜铟镓硫吸收层，有效提高吸收层薄膜性能，满足薄膜太阳电池的要求，从而提高电池性能，并且设备简单，过程可控。
附图说明
图1为含有本发明吸收层的铜铟镓硒薄膜太阳电池结构示意图。
图中，1-上电极，2-减反射膜，3-窗口层，4-缓冲层，5-吸收层，6-底电极，7-衬底。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
图1所示为含有本发明吸收层的铜铟镓硒薄膜太阳电池，由衬底7、底电极6、吸收层5、缓冲层4、窗口层3、减反射膜2和上电极1构成，其吸收层5的制备是以玻璃、柔性金属或聚酰亚胺膜等一种柔性材料作为衬底7，在衬底7上用磁控溅射法制备双层膜或者增加金属/金属氧化物过渡层的方法制备底电极6Mo，而后采用溅射法制备预制层，再高温进行硒化或硫化的反应后即制得吸收层5。
实施例1：
选用20-100μm钛箔作为衬底7，以公知的直流磁控溅射法在衬底7上镀钼Mo薄膜作为底电极6，底电极6的厚度为0.5-1.5μm；将镀钼的衬底置入磁控溅射设备真空室内，抽真空达到3×10-3Pa时，用原子比例为：0.7～1.0∶0.5的Cu-In-Se(Cu In Se)和原子比例为：0.8∶1.0∶0.5的Cu-Ga-Se(Cu Ga Se)合金靶材同时或先后溅射，形成厚度为0.6-1.2μm的Cu-In-Ga-Se预制层，然后将沉积有底电极6和预制层的衬底7作为基片放置于真空加热炉内，快速、均匀的升温，使得基片所在区域温度控制在400-590℃，固态硒源所在区域温度控制在180-300℃，依据金属预制层的厚度，进行10-30min的硒化处理，使金属预制层完全转变为CuIn1-XGaXSe2化合物半导体薄膜，该CuIn1-XGaXSe2化合物半导体薄膜即为吸收层5。
实施例2：
选用20-100μm不锈钢箔作为衬底7，以公知的直流磁控溅射法在衬底7上镀钼Mo薄膜作为底电极6，底电极6的厚度为0.5-1.5μm；将镀钼的衬底置入磁控溅射设备真空室内，抽真空达到3×10-3Pa时，用原子比例为：0.9～1.0∶1.0的Cu-In-Se(Cu In Se)和原子比例为：0.9～1.0∶1.0的Cu-Ga-Se(Cu Ga Se)合金靶材同时或先后溅射，形成厚度为0.6-1.2μm的Cu-In-Ga-Se预制层，然后将沉积有底电极6和预制层的衬底7作为基片放置于真空加热炉内，快速、均匀的升温，使得基片所在区域温度控制在400-590℃，固态硒源所在区域温度控制在180-300℃，依据金属预制层的厚度，进行10-30min的硒化处理，使金属预制层完全转变为CuIn1-XGaXSe2化合物半导体薄膜，该CuIn1-XGaXSe2化合物半导体薄膜即为吸收层5。
实施例3：
选用20-100μm钛箔作为衬底7，以直流磁控溅射法在衬底7上镀钼Mo薄膜作为底电极6，底电极6的厚度为0.5-1.5μm。将镀钼的衬底7置入磁控溅射设备真空室内，抽真空达到3×10-3Pa时，用原子比例为：0.7～1.0∶0.5的Cu-In-S(Cu In S)和原子比例为：0.8∶1.0∶0.5的Cu-Ga-S(Cu GaS)合金靶材同时或先后溅射，形成厚度为0.6-1.2μm的预制层Cu-In-Ga-S，然后将沉积有底电极6和预制层的衬底7作为基片放置于真空加热炉内，快速、均匀的升温，使得基片所在区域温度控制在400-590℃，固态硫源所在区域温度控制在180-300℃，依据金属预制层的厚度，进行10-30min的硒化处理后，金属预制层完全转变为CuIn1-XGaXS2化合物半导体薄膜即为吸收层5。
实施例4：
在实施例1的硒化后期，按实施例3的方法增加硫化过程，使得CuIn1- XGaXSe2部分硒原子被硫原子取代，制得CuIn1-XGaXSe2-XS2化合物半导体薄膜即为吸收层5。
实施例5：
将实施例3的硫化后期，按实施例1的方法增加硒化过程，使得CuIn1- XGaXSe2部分硫原子被硒原子取代，制得CuIn1-XGaXSe2-XS2化合物半导体薄膜即为吸收层5。
实施例6：
将衬底材料换成玻璃，Cu-In-Se合金靶的原子比例调整为1.0～1.0∶2.0)，Cu-Ga-Se合金靶材的原子比例调整为1.0∶1.0∶2.0，其它条件与实施例1相同，制得CuIn1-XGaXSe2化合物半导体薄膜即为吸收层5。
实施例7：
将衬底材料换成聚酰亚胺膜，其它条件与实施例1相同，制得CuIn1- XGaXSe2化合物半导体薄膜即为吸收层5。

Claims (4)

1.一种薄膜太阳电池吸收层的制备方法，其特征在于：包括制备预制层和硒化或硫化反应；
制备预制层：采用真空磁控溅射设备将含有Se或S的CuIn和CuGa靶材同时或先后溅射在镀钼的衬底上，制得含有部分Se或S的预制层；或者采用真空磁控溅射设备将含有Se或S的CuInGa合金靶材溅射在镀钼的衬底上，制得含有部分Se或S的预制层；
硒化或硫化反应：将镀有钼和预制层的衬底放入真空加热炉内，快速、均匀的升温，使得基片所在区域温度控制在400-590℃，固态硒源或硫源所在区域温度控制在180-300℃，依据金属预制层的厚度，进行10-30min的硒化或硫化处理后，预制层即转变为吸收层。
2.根据权利要求1所述薄膜太阳电池的吸收层制备方法，其特征在于：含Se或S的CuIn和CuGa靶材中Cu与In或Ga以及Se或S的原子比例为：0.7～1.1∶1.0∶0.5～2。
3.根据权利要求1所述薄膜太阳电池的吸收层制备方法，其特征在于：所述衬底为玻璃或柔性金属或聚酰亚胺膜中一种。
4.根据权利要求3所述薄膜太阳电池的吸收层制备方法，其特征在于：所述柔性金属为钛箔或不锈钢箔。
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