一種太陽能電池光吸收層薄膜的制備方法技術

本發明專利技術公開了一種太陽能電池光吸收層薄膜的制備方法，其中銅銦鎵硒層采用物理氣相沉積工藝制備，用紅外熱輻射加熱并控制襯底溫度，提高了成膜均勻性，同時控制蒸發工藝，使銅銦鎵硒表層生成富銦相；另外本發明專利技術還采用硫化的方法在銅銦鎵硒表層引入少量硫元素，即用光源輻照銅銦鎵硒層表面對銅銦鎵硒層加熱，同時通入硫化氫氣體對其硫化。本發明專利技術制備方法不僅避免了傳統接觸式加熱方式襯底溫度分布不均的問題，也優化了銅銦鎵硒的表面物相結構，減少了空間電荷區的載流子復合，有利于提高電池效率。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及薄膜太陽能電池技術，具體地說是。
技術介紹
銅銦鎵硒(Cu (In, Ga) Se2,簡稱CIGS)薄膜太陽能電池是目前光電轉換效率最高的薄膜電池，其實驗室最高轉換效率在2010年達到20. 3%，而且CIGS電池具有制造成本低、抗輻射能力強、弱光性好的優點，被認為是最有發展前景的新一代太陽能電池。CIGS光吸收層是CIGS薄膜太陽能電池最核心的一層。目前具有較高光電轉換效率的電池多采用物理氣相沉積工藝制備CIGS光吸收層。在該工藝制備過程中，襯底溫度的精確控制和空間分布均勻性對CIGS的物相形成具有重要影響。若襯底溫度在襯底平面上 分布不均，則會造成CIGS薄膜在襯底平面上各處物相成分的不均，在溫度較低區域會產生雜相，降低電池的光電轉換效率。對于大面積電池的制備，尤其需要提高襯底溫度的空間分布均勻性。傳統的襯底加熱方式為接觸加熱的方法，加熱器的加熱面緊貼CIGS襯底玻璃平面，采用熱傳導的方式對襯底加熱，但此法易因襯底玻璃受熱彎曲，脫離加熱面，從而造成襯底溫度空間分布不均，脫離加熱面的區域襯底溫度相對較低。
技術實現思路
本專利技術旨在提供，所要解決的技術問題是提高光吸收層薄膜的成膜均勻性，從而提高電池的光電轉換效率。本專利技術太陽能電池光吸收層薄膜的制備方法，是銅銦鎵硒(CIGSe)薄膜太陽能電池光吸收層，采用共蒸法制備并通過紅外熱輻射加熱，其特征在于按以下步驟操作將鍍鑰玻璃襯底置于常規多源熱蒸發鍍膜系統的襯底上并抽真空至5X10_4Pa，將銅、銦、鎵和硒的束源爐溫度分別升至1100-1250 0C >900-1000 °C、950_1100°C以及200-300°C并分別保持恒定；將襯底溫度從室溫升溫至250-450°C (3-8分鐘)并保持恒定，首先向鍍鑰玻璃襯底表面蒸鍍銦、鎵和硒10-15分鐘；銦、鎵和硒蒸鍍結束后將襯底溫度升溫至450-650°C并在升溫的同時蒸鍍銅和硒12-16分鐘，其中12-16分鐘是以溫度達到450-650°C時起計算；銅和硒蒸鍍結束后保持襯底溫度不變蒸鍍銦、鎵和硒3-6分鐘；銦、鎵和硒蒸鍍結束后將襯底溫度在15-30分鐘內降至300-400°C，然后隨爐自然冷卻至室溫，得到CIGS薄膜。銅、銦、鎵和硒的蒸鍍量是通過溫度和蒸鍍時間來調控的。本專利技術太陽能電池光吸收層薄膜的制備方法，是銅銦鎵硫硒(CIGSSe)薄膜太陽能電池光吸收層，包括共蒸和硫化各單元過程，其特征在于所述共蒸是將鍍鑰玻璃襯底置于常規多源熱蒸發鍍膜系統的襯底上并抽真空至5X l(T4Pa，將銅、銦、鎵和硒的束源爐溫度分別升至1100-1250°C、900-100(TC、950-110(rC以及200-300°C并分別保持恒定；將襯底溫度從室溫升溫至250-450°C (3-8分鐘)并保持恒定，首先向鍍鑰玻璃襯底表面蒸鍍銦、鎵和硒10-15分鐘；銦、鎵和硒蒸鍍結束后將襯底溫度升溫至450-650°C并在升溫的同時蒸鍍銅和硒12-16分鐘，其中12-16分鐘是以溫度達到450-650°C時起計算；銅和硒蒸鍍結束后保持襯底溫度不變蒸鍍銦、鎵和硒3-6分鐘；銦、鎵和硒蒸鍍結束后將襯底溫度在15-30分鐘內降至300-400°C，然后隨爐自然冷卻至室溫，得到CIGS薄膜；銅、銦、鎵和硒的蒸鍍量是通過溫度和蒸鍍時間來調控的。所述硫化是將所述CIGS薄膜置于在快速升溫爐的襯底上，爐內抽真空至5X ICT1Pa,向爐內通入氬氣和硫化氫氣體，氬氣和硫化氫氣體的總流量300-400SCCm，流量比為20-50 1 ;通過鹵鎢燈輻照使溫度升至350-550°C并保溫5_60分鐘，隨后降溫至200-400°C后關閉鹵鎢燈，自然冷卻至室溫，得到CIGSSe薄膜。本專利技術通過共蒸發法制備CIGS薄膜采用的設備是多源熱蒸發鍍膜系統，由機械 泵、分子泵、真空腔體、束源爐、溫控儀、襯底加熱器、襯底旋轉機構、閘板閥、真空計等部件構成。該系統可實現對多個蒸發源獨立精確控溫，同時可對襯底加熱控溫，用于制備多元化合物半導體薄膜。襯底加熱器的加熱方式為非接觸加熱，加熱器和襯底間保持1-5毫米間距，加熱器通過紅外熱輻射的方式對襯底加熱，確保襯底各處受熱均勻。本專利技術共蒸發法制備CIGS薄膜的具體步驟如下1、將鍍鑰玻璃襯底固定在多源熱蒸發鍍膜系統的襯底上，關閉腔體，用機械泵和分子泵將腔體內部的背景真空抽至5X 10_4Pa，啟動束源爐加熱器，并確保束源爐擋板關閉。2、將銅、銦、鎵、硒的束源爐溫度分別升至1100-1250°C、900-1000°C、950-110(rC、200-300°C，并保持恒定。3、襯底加熱器由室溫開始升溫，3-8分鐘升至250-450°C并保持恒定，此時打開銦、鎵、硒束源爐擋板開始第一階段蒸鍍，對鍍鑰玻璃襯底蒸發銦、鎵、硒，10-15分鐘后第一階段蒸鍍結束，關閉銦、鎵束源爐擋板，硒束源爐擋板在蒸鍍過程中始終打開；第二階段蒸鍍，襯底加熱器由250-450°C開始升溫，同時打開銅束源爐檔板，對鍍鑰玻璃襯底蒸發銅、硒，3-6分鐘后襯底加熱器溫度升至450-650°C并保持恒定，此刻開始計時，12-16分鐘后第二階段蒸鍍結束，關閉銅束源爐檔板；第三階段蒸鍍，此步驟襯底加熱器溫度仍為450-650°C并保持恒定，打開銦、鎵束源爐擋板，對鍍鑰玻璃襯底蒸發銦、鎵、硒，3-6分鐘后第三階段蒸鍍結束，關閉銦、鎵、硒束源爐擋板，襯底加熱器緩慢降溫，15-30分鐘后降至300-400°C，然后關閉襯底加熱器，自然降溫至室溫，得到CIGS薄膜。本專利技術方法制備的CIGS薄膜結晶性好，其X射線衍射譜(圖1)表明該CIGS薄膜為黃銅礦結構，掃描電鏡(SEM)圖像(圖2)顯示CIGS晶粒尺寸較大，且拉曼譜(Raman)(圖3 )表明CIGS表層存在對電池性能有益的富銦相(Cu (In, Ga) 3Se5)。硫化氫硫化CIGS薄膜制備CIGSSe薄膜的設備采用快速升溫爐，由機械泵、石英管真空腔體、鹵鎢燈加熱器、溫控系統、氣路控制系統、真空計、尾氣處理系統等部件構成，具體步驟如下4、打開快速升溫氣氛爐的石英管腔體，將CIGS薄膜置于在襯底上，關閉腔體，用機械泵將腔體內部的背景真空抽至5X liTPa。5、調節氬氣和硫化氫氣體的流量比至20-50:1。6、開啟襯底加熱系統，用鹵鎢燈輻照CIGS薄膜表面對其加溫，5-20分鐘升至350-550°C并保溫5-60分鐘，之后緩慢降溫至200-400°C時關閉鹵鎢燈，自然冷卻至室溫，得到CIGSSe薄膜，關閉氬氣和硫化氫氣體，硫化結束。采用非接觸式襯底加熱方法可提高襯底溫度的空間分布均勻性，尤其對于大面積電池的工業化生產以及柔性太陽能電池的制備具有重要意義。CIGS薄膜的成相控制對于電池效率具有至關重要的影響。研究表明，CIGS薄膜表層富銦相的存在，以及在表層引入少量硫元素生成銅銦鎵硫，可以使CIGS/CdS異質結的能帶得到優化，并且減少空間電荷區的載流 子復合，提高電池效率。本專利技術方法不僅避免了傳統接觸式加熱方式襯底溫度分布不均的問題，也優化了銅銦鎵硒的表面物相結構，減少了空間電荷區的載流子復合，有利于提高電池效率。四附圖說明圖1是本專利技術CIGS薄膜的XRD譜圖。圖2是本專利技術CIGS薄膜的SEM圖像圖3是本發本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種太陽能電池光吸收層薄膜的制備方法，其特征在于按以下步驟操作：將鍍鉬玻璃襯底置于多源熱蒸發鍍膜系統的襯底上并抽真空至5×10?4Pa，將銅、銦、鎵和硒的束源爐溫度分別升至1100?1250℃、900?1000℃、950?1100℃以及200?300℃并分別保持恒定；將襯底溫度升溫至250?450℃并保持恒定，首先向鍍鉬玻璃襯底表面蒸鍍銦、鎵和硒10?15分鐘；銦、鎵和硒蒸鍍結束后將襯底溫度升溫至450?650℃并在升溫的同時蒸鍍銅和硒12?16分鐘；銅和硒蒸鍍結束后保持襯底溫度不變再蒸鍍銦、鎵和硒3?6分鐘；銦、鎵和硒蒸鍍結束后將襯底溫度降至室溫得到CIGS薄膜。

【技術特征摘要】
1.一種太陽能電池光吸收層薄膜的制備方法，其特征在于按以下步驟操作將鍍鑰玻璃襯底置于多源熱蒸發鍍膜系統的襯底上并抽真空至5 X 10_4Pa，將銅、銦、鎵和硒的束源爐溫度分別升至1100-1250°C、900-1000°C、950-110(rC以及200-300°C并分別保持恒定；將襯底溫度升溫至250-450°C并保持恒定，首先向鍍鑰玻璃襯底表面蒸鍍銦、鎵和硒10-15分鐘；銦、鎵和硒蒸鍍結束后將襯底溫度升溫至450-650°C并在升溫的同時蒸鍍銅和硒12-16分鐘；銅和硒蒸鍍結束后保持襯底溫度不變再蒸鍍銦、鎵和硒3-6分鐘；銦、 鎵和硒蒸鍍結束后將襯底溫度降至室溫得到CIGS薄膜。2.一種太陽能電池光吸收層薄膜的制備方法，包括共蒸和硫化各單元過程，其特征在于所述共蒸是將鍍鑰玻璃襯底置于多源熱蒸發鍍膜系統的襯底上并抽真空至5 X IO-4Pa, 將銅、銦、鎵和硒的束源爐溫...

【專利技術屬性】
技術研發人員：萬磊，徐進章，鄒鵬，孟明明，王仁寶，毛小麗，牛海紅，
申請(專利權)人：合肥工業大學，
類型：發明
國別省市：