CN103077980A - 一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于太阳能电池技术领域的一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池及其制备方法，该电池由基底、金属正极、光吸收层、缓冲层、窗口层、透明电极层和栅状金属负极顺次连接构成，光吸收层由至少两层不同能隙的铜铟镓硒薄膜组成。光吸收层的每个铜铟镓硒单层通过调整磁控溅射气体压力、温度范围以及功率密度直接成膜，或通过磁控溅射制备预制层，然后将预制层在氩气或氮气保护下400~500 ^oC硒化处理成铜铟镓硒薄膜；本发明的各单层CIGS薄膜具有不同的能隙，可以通过组合的方式调整光吸收层的能带的形状，兼顾载流子的收集和光谱响应曲线，光吸收层的吸收效率提高30%~50%。本发明电池光电转化效率高，工艺简便，所需设备简单，容易实现量产。

Description

一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池及其制备方法

技术领域

本发明属于太阳能电池技术领域，涉及铜铟镓硒薄膜太阳能电池的制备和薄膜器件的结构设计，特别涉及一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池及其制备方法。

背景技术

铜铟硒系薄膜太阳能电池因其效率高、成本低、寿命长以及可用于柔性基底等突出特点，是最有市场前景的新型薄膜太阳能电池。铜铟硒（CIS）具有黄铜矿结构，能隙为1.04 eV，若以Ga代替CIS中的部分In，形成CuIn_1-xGa_xSe₂结构时，能隙可以在1.04~1.68 eV之间连续可调，这为制备能隙可以调控的铜铟镓硒薄膜太阳能电池提供了重要的理论依据。目前铜铟硒系列的太阳能电池的结构通常为：减反层/金属栅状电极/透明电极层/窗口层/缓冲层/光吸收层/金属正极/基底（例如：钠钙玻璃），其中对光吸收层的优化是决定电池性能的关键因素。关于光吸收层的优化研究，主要集中在以下几方面：1、增大光吸收层的光学带隙，提高转化效率，如以Ga替代CIS中的部分铟原子；2、在光吸收层内制造带隙渐变结构来提高载流子的收集效率，如光吸收层中Ga的含量从CIS/Mo界面到CIS/CdS界面逐渐下降将引起光吸收层的带隙渐变。

虽然光吸收层带隙渐变结构提高了载流子的收集效率，从而增加了电池的短路电流，但是却抑制了电池的光谱响应效率，降低了电池的开路电压，因此对电池光电转换效率的贡献有限。另一方面，耗尽区（PN结区）是主要的光电转换区，但耗尽区的厚度仅为100~500 nm，小于CIS膜层的厚度，因此可以利用耗尽区来提高入射光的光谱响应效率。

张弓等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（申请号200910237133.X），随后将吸收层在保护气氛下进行退火处理以改善结晶质量。

虽然因为镓或铝的掺杂会增大吸收层的能隙宽度，进而提高转化效率，但毕竟有限。李伟等提出采用镓元素梯度分布，使铜铟镓硒（CIGS）薄膜的能隙呈现抛物线状分布，电池的光谱响应增强，量子效率得到显著提高。但是，这是一个假想曲线，目前还难以精确控制Ga的分布，所以Ga梯度分布时的CIGS的能隙不容易达到抛物线状态 [李伟，孙云，刘伟，李凤岩，周琳，人工晶体学报，2006年2月，第35卷第1期131-134页] 。

发明内容

针对现有技术不足，本发明提供了一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池及其制备方法。

一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池，其特征在于：该电池由基底、金属正极、光吸收层、缓冲层、窗口层、透明电极层和栅状金属负极顺次连接构成；

所述光吸收层由至少两层不同能隙的铜铟镓硒薄膜相互连接组成，不同铜铟镓硒单层中Ga/(In+Ga)的值不同，且与所述缓冲层相邻的铜铟镓硒单层中Ga/(In+Ga)的值大于其余铜铟镓硒单层中的Ga/(In+Ga)的值；通过对铜铟镓硒单层中Ga/(In+Ga)的值的控制，使所述光吸收层的能带图中，不同能隙的铜铟镓硒薄膜的导带底为两边高，中间低的“凹型”结构；

即在耗尽区（PN结区）内，由一层Ga组分大的CIGS层构成，在耗尽区外，由至少一层Ga组分较小的CIGS层构成，通过层间电荷迁移实现对导带底的调控以及在耗尽区存在较大的能带弯曲，实现更优的能带结构，提高电池载流子的收集效率；另一方面，靠近CdS的CIGS单层由于能隙大，能量高的光子得到了很好的吸收，能量较小的光子由余下的CIGS单层吸收，尽可能避免了低能量光子的损失，因此提高了光吸收层的光谱响应效率和开路电压，从而提高电池的光电转换效率（如图1和图2）；

所述的光吸收层中，与所述缓冲层相邻的铜铟镓硒单层中Ga/(In+Ga)的值大于0且小于等于1，其余铜铟镓硒单层中Ga/(In+Ga) 的原子比值范围为大于等于0且小于等于0.8。

所述光吸收层含有2~6层铜铟镓硒单层。（简写为CuIn_xGa_1-xSe₂/CuIn_yGa_1-ySe₂/…/CuIn_zGa_1-zSe₂），其组成为CuIn_xGa_1-xSe₂ /CuIn_zGa_1-zSe₂或

CuIn_xGa_1-xSe₂/CuIn_yGa_1-ySe₂/CuIn_zGa_1-zSe₂或

CuIn_xGa_1-xSe₂/CuIn_yGa_1-ySe₂/CuIn_oGa_1-oSe₂/CuIn_zGa_1-zSe₂或CuIn_xGa_1-xSe₂/CuIn_yGa_1-ySe₂/CuIn_oGa_1-oSe₂/ CuIn_pGa_1-pSe₂/CuIn_zGa_1-zSe₂或CuIn_xGa_1-xSe₂/CuIn_yGa_1-ySe₂/CuIn_oGa_1-oSe₂/CuIn_pGa_1-pSe₂/CuIn_qGa_1-qSe₂/CuIn_zGa_1-zSe₂，光吸收层与金属正极的界面为金属正极/CuIn_xGa_1-xSe₂，与缓冲层的界面为CuIn_zGa_1-zSe₂/缓冲层。

其中，0≤x、y、o、p、q≤0.8， 0＜z≤1。

所述的光吸收层中，与所述金属正极相邻的铜铟镓硒单层的厚度为100~300 nm，与所述缓冲层相邻的铜铟镓硒单层的厚度为100~300 nm，其余铜铟镓硒单层的厚度均为100~500 nm。

所述的金属正极为Mo电极或Ti电极，其厚度为300~2000 nm。

所述的缓冲层为CdS，其厚度为30~80 nm。

所述基底为钠钙玻璃，其厚度为0.5~5 mm。

所述窗口层为i-ZnO，其厚度为30~80 nm。

所述透明电极层为掺杂铝的氧化锌层，其中铝的质量分数为2%，其厚度为400~900 nm。

所述栅状金属负极为Ni和Al单层栅状膜组成的双层膜， 其中栅状Ni膜与透明电极层相连，其厚度分别为20~80 nm 和100~500 nm。

一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池的制备方法，其具体方案如下：

将基底、金属正极、光吸收层、缓冲层、窗口层、透明电极层和栅状金属负极顺次连接组装成铜铟镓硒薄膜太阳能电池；

所述光吸收层的每个铜铟镓硒单层通过调整磁控溅射气体压力、磁控溅射温度范围以及磁控溅射功率密度直接成膜，或通过磁控溅射制备预制层，然后将预制层在氩气或氮气保护下400~500 ^oC硒化处理成铜铟镓硒薄膜；其中磁控溅射气体压力为0.1~10 Pa，磁控溅射温度范围为200~600 ^oC，磁控溅射功率密度为1 ~10 W/cm²；

所述透明电极层通过将市售掺杂铝的氧化锌靶材通过溅射法镀出掺杂铝的氧化锌层，其中铝的质量分数为2%。

本发明的有益效果为：

本发明的各单层CIGS薄膜具有不同的能隙，可以通过组合的方式调整光吸收层的能带的形状，兼顾载流子的收集和光谱响应曲线，提高光吸收层的吸收效率。具体为：

（1）本发明利用不同能隙的吸收单层方便地组合成具有不同台阶状能隙分布的光吸收层，可以灵活地调整能隙分布，省掉调节Ga梯度的繁琐，可以保障CIGS薄膜太阳能电池器件的重复性。

（2）本发明通过将能隙最大的吸收单层设计在PN结的耗尽区，利用PN结较大的能带弯曲提高载流子的收集效率，同时提高CIGS的光谱响应效率（约10％~25%）和开路电压（约15％），因此提高CIGS电池的光电转换效率（增加了30％~50%）。

本发明的特点是以多层不同能隙的CIGS层替代普遍采用的单一能隙CIGS层，通过不同能隙的CIGS叠加可在其界面处诱导空间电荷迁移，从而实现对导带底的有效调控，进而优化p-n结的能带结构，提高载流子的收集效率，并兼顾光谱响应效率，并可以提高器件的光电转化效率。本发明工艺简便，所需设备简单，容易实现量产。

附图说明

图1为本发明光吸收层的能带结构（与CdS形成PN结之前）；

图2为本发明光吸收层的能带结构（与CdS形成PN结之后）；

图3为本发明铜铟镓硒电池的结构图；

图4为本发明不同硒化气压下硒化所得CIGS薄膜的镓铟比（实施例1），其中图4a的硒化气压为40 Pa，温度为520 oC，图4b的硒化气压为190 Pa，温度为520 oC，图4c的硒化气压为270 Pa，温度为520 oC；

图5为本发明不同温度下硒化所得CIGS薄膜的镓铟比（实施例2），其中图5a的流动气压为4 Pa，温度为300 ^oC，图5b的流动气压为4 Pa，温度为420 oC，图5c的流动气压为4 Pa，温度为520 oC。

具体实施方式

本发明提供了一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池及其制备方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池，其特征在于：该电池由基底、金属正极、光吸收层、缓冲层、窗口层、透明电极层和栅状金属负极顺次连接构成；

所述光吸收层由至少两层不同能隙的铜铟镓硒薄膜相互连接组成，不同铜铟镓硒单层中Ga/(In+Ga)的值不同，且与所述缓冲层相邻的铜铟镓硒单层中Ga/(In+Ga)的值大于其余铜铟镓硒单层中的Ga/(In+Ga)的值；通过对铜铟镓硒单层中Ga/(In+Ga)的值的控制，使所述光吸收层的能带图中，不同能隙的铜铟镓硒薄膜的导带底为两边高，中间低的“凹型”结构；

即在耗尽区（PN结区）内，由一层Ga组分大的CIGS层构成，在耗尽区外，由至少一层Ga组分较小的CIGS层构成，通过层间电荷迁移实现对导带底的调控以及在耗尽区存在较大的能带弯曲，实现更优的能带结构，提高电池载流子的收集效率；另一方面，靠近CdS的CIGS单层由于能隙大，能量高的光子得到了很好的吸收，能量较小的光子由余下的CIGS单层吸收，尽可能避免了低能量光子的损失，因此提高了光吸收层的光谱响应效率和开路电压，从而提高电池的光电转换效率（如图1和图2）；

所述的光吸收层中，与所述缓冲层相邻的铜铟镓硒单层中Ga/(In+Ga)的值大于0且小于等于1，其余铜铟镓硒单层中Ga/(In+Ga) 的原子比值范围为大于等于0且小于等于0.8。

所述光吸收层含有2~6层铜铟镓硒单层。（简写为CuIn_xGa_1-xSe₂/CuIn_yGa_1-ySe₂/…/CuIn_zGa_1-zSe₂），其组成为CuIn_xGa_1-xSe₂ /CuIn_zGa_1-zSe₂或

CuIn_xGa_1-xSe₂/CuIn_yGa_1-ySe₂/CuIn_zGa_1-zSe₂或

CuIn_xGa_1-xSe₂/CuIn_yGa_1-ySe₂/CuIn_oGa_1-oSe₂/CuIn_zGa_1-zSe₂或CuIn_xGa_1-xSe₂/CuIn_yGa_1-ySe₂/CuIn_oGa_1-oSe₂/ CuIn_pGa_1-pSe₂/CuIn_zGa_1-zSe₂或CuIn_xGa_1-xSe₂/CuIn_yGa_1-ySe₂/CuIn_oGa_1-oSe₂/CuIn_pGa_1-pSe₂/CuIn_qGa_1-qSe₂/CuIn_zGa_1-zSe₂，光吸收层与金属正极的界面为金属正极/CuIn_xGa_1-xSe₂，与缓冲层的界面为CuIn_zGa_1-zSe₂/缓冲层。

其中，0≤x、y、o、p、q≤0.8， 0＜z≤1。

所述的光吸收层中，与所述金属正极相邻的铜铟镓硒单层的厚度为100~300nm，与所述缓冲层相邻的铜铟镓硒单层的厚度为100~300 nm，其余铜铟镓硒单层的厚度均为100~500 nm。

所述的金属正极为Mo电极或Ti电极，其厚度为300~2000 nm。

所述的缓冲层为CdS，其厚度为30~80 nm。

所述基底为钠钙玻璃，其厚度为0.5~5 mm。

所述窗口层为i-ZnO，其厚度为30~80 nm。

所述透明电极层为掺杂铝的氧化锌层，其中铝的质量分数为2%，其厚度为400~900 nm。

所述栅状金属负极为Ni和Al单层栅状膜组成的双层膜， 其中栅状Ni膜与透明电极层相连，其厚度分别为20~80 nm 和100~500 nm。

一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池的制备方法，其具体方案如下：

将基底、金属正极、光吸收层、缓冲层、窗口层、透明电极层和栅状金属负极顺次连接组装成铜铟镓硒薄膜太阳能电池；

所述光吸收层的每个铜铟镓硒单层通过调整磁控溅射气体压力、磁控溅射温度范围以及磁控溅射功率密度直接成膜，或通过磁控溅射制备预制层，然后将预制层在氩气或氮气保护下400~500 ^oC硒化处理成铜铟镓硒薄膜；其中磁控溅射气体压力为0.1~10 Pa，磁控溅射温度范围为200~600 ^oC，磁控溅射功率密度为1 ~10 W/cm²；

所述透明电机层通过将市售掺杂铝的氧化锌靶材通过溅射法镀出掺杂铝的氧化锌层，其中铝的质量分数为2%。

实施例1

本实施例所制备的铜铟镓硒薄膜太阳能电池，其包括光吸收层，该光吸收层设于金属正极和缓冲层之间，所述光吸收层由两层不同能隙的铜铟镓硒薄膜组成，且与所述缓冲层相邻的铜铟镓硒单层中Ga组分大于其余铜铟镓硒单层中的Ga组分。

Ga组分是指铜铟镓硒薄膜中Ga/(In+Ga)的原子比。

与金属正极相邻的铜铟镓硒单层中Ga/(In+Ga)的原子比为0.233，其厚度为300 nm；第二铜铟镓硒单层中Ga/(In+Ga)的原子比为0.294，其厚度为300 nm；

本实施例的铜铟镓硒薄膜太阳能电池，基底为钠钙玻璃，厚度为0.7mm，金属正极为Mo，其厚度为300 nm，缓冲层为CdS，其厚度为50nm。窗口层为i-ZnO，其厚度为60 nm，透明电极层为掺铝ZnO，厚度为500 nm，其中铝的质量分数为2%。栅状金属负极为50 nm厚的栅状Ni膜和300 nm厚的栅状Al膜。本实施例电池的开路电压为490 mV，短路电流为24 mA/cm²，填充因子为55%，电池的光电转化效率为6.4%。

本实施例光吸收层的制备方法如下：将钠钙玻璃（SLG）清洗干净，用氮气吹干，放入真空腔。采用磁控溅射沉积金属Mo膜，厚度为900 nm。然后采取磁控溅射的方法，以CIGS为靶材，在SLG/Mo衬底上生长CIGS薄膜，当CIGS的厚度达到300 nm时，取出样品，然后将其放入双温区管式炉中（以下简称硒化炉）进行第一次硒化处理。硒化的保护气体为氩气、氮气或其混合气体，硒化气压为40 Pa，硒源温度为240 ^oC，样品温度为520 ^oC，样品温度升至设定温度后，保温30分钟再自然冷却至室温，即为CuIn_xGa_1-xSe₂；取出样品放入真空腔中再溅射生长一层CIGS薄膜，厚度为300 nm，然后将此样品放入硒化炉中进行第二次硒化，硒化气压为190 Pa，其余的条件与第一次硒化相同，冷却至室温即为CuIn_yGa_1-ySe₂。CIGS在不同的硒化气压下薄膜中的镓铟比如图4所示。

实施例2

本实施例的铜铟镓硒薄膜太阳能电池，其包括光吸收层，该光吸收层设于金属正极和缓冲层之间，所述光吸收层由三层不同能隙的铜铟镓硒薄膜组成，各个铜铟镓硒单层中的Ga组分固定，且与所述缓冲层相邻的铜铟镓硒单层中Ga组分大于其余铜铟镓硒单层中的Ga组分。

与金属正极相邻的铜铟镓硒单层中Ga/(In+Ga)的原子比为0.302，其厚度为 300 nm；第二铜铟镓硒单层中Ga/(In+Ga)的原子比为0.295，其厚度为300 nm；第三铜铟镓硒单层（与缓冲层相邻的铜铟镓硒单层）中Ga/(In+Ga)的原子比为0.325，其厚度为300 nm。

本实施例的铜铟镓硒薄膜太阳能电池，基底为钠钙玻璃，厚度为0.7mm，金属正极为Mo，其厚度为2000 nm，缓冲层为CdS，其厚度为30nm，窗口层为i-ZnO，其厚度为80nm，透明电极层为掺铝ZnO，厚度为500 nm，其中铝的质量分数为2%，金属负极为50 nm厚的栅状Ni膜和300 nm厚的栅状Al膜。本实施例电池的开路电压为500 mV，短路电流为25 mA/cm²，填充因子为57%，电池的光电转化效率为7.1%。

本实施例的铜铟镓硒薄膜太阳能电池的制备方法，包括光吸收层的制备，其制备方法如下：将钠钙玻璃（SLG）清洗干净，用氮气吹干，放入真空腔。采用磁控溅射沉积金属Mo膜，厚度为900 nm。在SLG/Mo衬底上采取溅射CIGS，然后硒化，再溅射CIGS，再硒化的方法，逐层制备光吸收层CuIn_xGa_1-xSe₂/CuIn_yGa_1-ySe₂/CuIn_zGa_1-zSe₂，各层CIGS薄膜的制备条件为：溅射气压0.2 Pa，溅射功率密度：5 W/cm²，溅射时间30 min；硒化条件：硒化炉中的保护气体为流动的氩气，气压为4Pa，硒源温度为240 ^oC，各CIGS层的硒化温度分别为520 ^oC，420 ^oC，300 ^oC，样品温度升至设定温度后，保温30分钟再自然冷却至室温。CIGS在不同的硒化温度下薄膜中的镓铟比如图5所示。

实施例3

本实施例的铜铟镓硒薄膜太阳能电池，其包括光吸收层，该光吸收层设于金属正极和缓冲层之间，所述光吸收层由四层不同能隙的铜铟镓硒薄膜组成，各个铜铟镓硒单层中的Ga组分固定，且与所述缓冲层相邻的铜铟镓硒单层中Ga组分大于其余铜铟镓硒单层中的Ga组分。

与金属正极相邻的铜铟镓硒单层中Ga/(In+Ga)的原子比为0.315，其厚度为200 nm；第二铜铟镓硒单层中Ga/(In+Ga)的原子比为0.300，其厚度为300 nm；第三铜铟镓硒单层中Ga/(In+Ga)的原子比为0.290，其厚度为300 nm；第四铜铟镓硒单层（与缓冲层相邻的铜铟镓硒单层）中Ga/(In+Ga)的原子比为0.325，其厚度为300 nm。

本实施例的铜铟镓硒薄膜太阳能电池，基底为钠钙玻璃，厚度为0.7mm，金属正极为Mo，其厚度为800 nm，缓冲层为CdS，其厚度为50nm，窗口层为i-ZnO，其厚度为70 nm，透明电极层为掺铝ZnO，厚度为600 nm，其中铝的质量分数为2%，金属负极为60 nm厚的栅状Ni膜和400 nm厚的栅状Al膜。本实施例电池的开路电压为520 mV，短路电流为28 mA/cm²，填充因子为60%，电池的光电转化效率为8.7%。

本实施例的铜铟镓硒薄膜太阳能电池的制备方法，包括光吸收层的制备，其制备方法如下：将钠钙玻璃（SLG）清洗干净，用氮气吹干，放入真空腔。采用磁控溅射沉积金属Mo膜，厚度为900 nm。在SLG/Mo衬底上采取溅射CIGS，然后硒化，再溅射CIGS，再硒化的方法，逐层制备光吸收层CuIn_xGa_1-xSe₂/CuIn_yGa_1-ySe₂/…/CuIn_zGa_1-zSe₂。采用具有不同镓铟比的CIGS靶材，在SLG/Mo衬底上制备不同镓铟比的CIGS薄膜，薄膜的厚度分别控制在200 nm、300 nm、300 nm、300 nm；各层薄膜的硒化条件相同：硒化的保护气体为氩气、氮气或其混合气体，硒化气压为120 Pa，硒源温度为240 ^oC，样品温度为450^oC，样品温度升至设定温度后，保温30分钟再自然冷却至室温。

实施案例1~3均采取溅射加硒化法在SLG/Mo衬底上逐层制备光吸收层CuIn_xGa_1-xSe₂/CuIn_yGa_1-ySe₂/…/CuIn_zGa_1-zSe₂。事实上，也可以采用改变溅射条件直接逐层制备不同镓铟比的CIGS薄膜。

实施例4

本实施例的铜铟镓硒薄膜太阳能电池，其包括光吸收层，该光吸收层设于金属正极和缓冲层之间，所述光吸收层由五层不同能隙的铜铟镓硒薄膜组成，各个铜铟镓硒单层中的Ga组分固定，且与所述缓冲层相邻的铜铟镓硒单层中Ga组分大于其余铜铟镓硒单层中的Ga组分。

与金属正极相邻的铜铟镓硒单层中Ga/(In+Ga)的原子比为0.360，其厚度为 200 nm；第二铜铟镓硒单层中Ga/(In+Ga)的原子比为0.320，其厚度为300 nm；第三铜铟镓硒单层中Ga/(In+Ga)的原子比为0.300，其厚度为 300 nm；第四铜铟镓硒单层中Ga/(In+Ga)的原子比为0.260，其厚度为300 nm；第五铜铟镓硒单层（与缓冲层相邻的铜铟镓硒单层）中Ga/(In+Ga)的原子比为0.380，其厚度为 300 nm。

本实施例的铜铟镓硒薄膜太阳能电池，基底为钠钙玻璃，厚度为0.7mm，金属正极为Mo，其厚度为900 nm，缓冲层为CdS，其厚度为60nm，窗口层为i-ZnO，其厚度为80 nm，透明电极层为掺铝ZnO，厚度为600 nm，金属负极为60 nm厚的栅状Ni膜和400 nm厚的栅状Al膜。本实施例电池的开路电压为535 mV，短路电流为30 mA/cm²，填充因子为62%，电池的光电转化效率为10.0%。

本实施例的铜铟镓硒薄膜太阳能电池的制备方法，包括光吸收层的制备，其制备方法如下：将钠钙玻璃（SLG）清洗干净，用氮气吹干，放入真空腔。采用磁控溅射沉积金属Mo膜，厚度为900 nm。在SLG/Mo衬底上采取溅射方法逐层制备光吸收层CuIn_xGa_1-xSe₂/CuIn_yGa_1-ySe₂/…/CuIn_zGa_1-zSe₂。溅射的具体条件为：本底真空≤4×10^-3 Pa，溅射功率为5W/cm²，靶与衬底的距离为6 cm，衬底温度为350 ^oC，制备各层CIGS的溅射气压分别为0.6 Pa，0.8 Pa，1.0 Pa，1.2 Pa，0.2 Pa，溅射时间由膜厚来决定，分别为30 min，30 min，45 min，45 min和25 min。

实施例5

本实施例的铜铟镓硒薄膜太阳能电池，其包括光吸收层，该光吸收层设于金属正极和缓冲层之间，所述光吸收层由六层不同能隙的铜铟镓硒薄膜组成，各个铜铟镓硒单层中的Ga组分固定，且与所述缓冲层相邻的铜铟镓硒单层中Ga组分大于其余铜铟镓硒单层中的Ga组分。

与金属正极相邻的铜铟镓硒单层中Ga/(In+Ga)的原子比为0.360，其厚度为 200 nm；第二铜铟镓硒单层中Ga/(In+Ga)的原子比为0.320，其厚度为300 nm；第三铜铟镓硒单层中Ga/(In+Ga)的原子比为0.300，其厚度为300 nm；第四铜铟镓硒单层中Ga/(In+Ga)的原子比为0.260，其厚度为300 nm；第五铜铟镓硒单层中Ga/(In+Ga)的原子比为0.300，其厚度为300 nm；第六铜铟镓硒单层（与缓冲层相邻的铜铟镓硒单层）中Ga/(In+Ga)的原子比为0.380，其厚度为300 nm。

本实施例的铜铟镓硒薄膜太阳能电池，基底为钠钙玻璃，厚度为0.7mm，金属正极为Mo，其厚度为900 nm，缓冲层为CdS，其厚度为60nm，窗口层为i-ZnO，其厚度为70 nm，透明电极层为掺铝ZnO，厚度为600 nm，金属负极为50 nm厚的栅状Ni膜和400 nm厚的栅状Al膜。本实施例电池的开路电压为530 mV，短路电流为28 mA/cm²，填充因子为61%，电池的光电转化效率为9.1%。

本实施例的铜铟镓硒薄膜太阳能电池的制备方法，包括光吸收层的制备，其制备方法如下：将钠钙玻璃（SLG）清洗干净，用氮气吹干，放入真空腔。采用磁控溅射沉积金属Mo膜，厚度为900 nm。在SLG/Mo衬底上采取溅射方法逐层制备光吸收层CuIn_xGa_1-xSe₂/CuIn_yGa_1-ySe₂/…/CuIn_zGa_1-zSe₂。溅射的具体条件为：本底真空≤4×10^-3 Pa，溅射功率为5 W/cm²，靶与衬底的距离为6 cm，衬底温度为350 oC，制备各层CIGS的溅射气压分别为0.6 Pa，0.8 Pa，1.0 Pa，1.2 Pa，1.0 Pa，0.2 Pa，溅射时间由膜厚来决定，分别为30 min，30 min，45 min，45min，45 min和25 min。

Claims (10)

1.一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池，其特征在于：该电池由基底、金属正极、光吸收层、缓冲层、窗口层、透明电极层和栅状金属负极顺次连接构成；

所述光吸收层由至少两层不同能隙的铜铟镓硒薄膜相互连接组成，不同铜铟镓硒单层中Ga/(In+Ga)的值不同，且与所述缓冲层相邻的铜铟镓硒单层中Ga/(In+Ga)的值大于其余铜铟镓硒单层中的Ga/(In+Ga)的值；

所述的光吸收层中，与所述缓冲层相邻的铜铟镓硒单层中Ga/(In+Ga)的值大于0且小于等于1，其余铜铟镓硒单层中Ga/(In+Ga) 的原子比值范围为大于等于0且小于等于0.8；

通过对铜铟镓硒单层中Ga/(In+Ga)的值的控制，使所述光吸收层的能带图中，不同能隙的铜铟镓硒薄膜的导带底为两边高，中间低的“凹型”结构。

2.根据权利要求1所述的铜铟镓硒薄膜太阳能电池，其特征在于：所述光吸收层含有2~6层铜铟镓硒单层。

3.根据权利要求1所述的铜铟镓硒薄膜太阳能电池，其特征在于：所述的光吸收层中，与所述金属正极相邻的铜铟镓硒单层的厚度为100~300nm，与所述缓冲层相邻的铜铟镓硒单层的厚度为100~300 nm，其余铜铟镓硒单层的厚度均为100~500 nm。

4.根据权利要求1所述的铜铟镓硒薄膜太阳能电池，其特征在于：所述的金属正极为Mo电极或Ti电极，其厚度为300~2000 nm。

5.根据权利要求1所述的铜铟镓硒薄膜太阳能电池，其特征在于：所述的缓冲层为CdS，其厚度为30~80 nm。

6.根据权利要求1所述的铜铟镓硒薄膜太阳能电池，其特征在于：所述基底为钠钙玻璃，其厚度为0.5~5 mm。

7.根据权利要求1所述的铜铟镓硒薄膜太阳能电池，其特征在于：所述窗口层为i-ZnO，其厚度为30~80 nm。

8.根据权利要求1所述的铜铟镓硒薄膜太阳能电池，其特征在于：所述透明电极层为掺杂铝的氧化锌层，其中铝的质量分数为2%，其厚度为400~900 nm。

9.根据权利要求1所述的铜铟镓硒薄膜太阳能电池，其特征在于：所述栅状金属负极为Ni和Al单层栅状膜组成的双层膜，其中栅状Ni膜与透明电极层相连，其厚度分别为20~80 nm 和100~500 nm。

10.权利要求1至9任意一个权利要求所述的铜铟镓硒薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，具体方案如下：

将基底、金属正极、光吸收层、缓冲层、窗口层、透明电极层和栅状金属负极顺次连接组装成铜铟镓硒薄膜太阳能电池；

所述光吸收层的每个铜铟镓硒单层通过调整磁控溅射气体压力、磁控溅射温度范围以及磁控溅射功率密度直接成膜，或通过磁控溅射制备预制层，然后将预制层在氩气或氮气保护下400~500 ^oC硒化处理成铜铟镓硒薄膜；其中磁控溅射气体压力为0.1~10 Pa，磁控溅射温度范围为200~600 ^oC，磁控溅射功率密度为1 ~10 W/cm²；

所述透明电极层通过将市售掺杂铝的氧化锌靶材通过溅射法镀出掺杂铝的氧化锌层，其中铝的质量分数为2%。

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