[发明专利]柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池及其吸收层的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于太阳电池技术领域，特别是涉及一种柔性铜铟镓硒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即CuInSe₂，简写为CIS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，其组成包括：CuInSe₂，CuIn_1-XGa_XSe₂，CuInS₂，CuIn_1-XGa_XS₂，CuIn_1-XGa_XSe_2-XS₂等。现有的铜铟镓硒或硫薄膜太阳电池，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、金属箔，如：不锈钢箔、钛箔、Mo箔、铝箔等，或聚酰亚胺膜衬底上分别沉积多层薄膜构成的光伏器件，典型结构为如下的多层膜结构：衬底/底电极/吸收层/缓冲层/窗口层/减反射膜/上电极。

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，是由多种相互故溶的化合物构成，光学吸收层中个元素的化学配比及其分布是决定电池性能的重要因素。

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。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；第二种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CuIn_1-XGa_XSe₂多晶薄膜。同样用硫替代硒，进行硫化反应或先硒后硫分布法的化学热处理，形成CuIn_1-XGa_XS₂或CuIn_1-XGa_XSe_2-XS₂。金属预制层成膜方法有溅射、蒸发、电沉积、溅射和蒸发相结合的方法等，其薄膜均匀性较易控制，沉积厚度已于掌握，是较成熟的制备工艺，工艺设备的造价不高。其中磁控溅射方法工艺简便、元素成分易于控制，是很有效的成膜方法。后硒化或硫化工艺主要包括化学气相沉积法和化学固态硒或硫蒸发法。前者由于需采用剧毒的硒化氢或硫化氢气体且国内并无硒化氢气体供应而较难实施；后者就目前的技术而言，采用固态源且设备造价较低而广泛采用。

常规固态源硒化或硫化是在真空室中将硒或硫加热使其汽化成蒸汽，达到一定温度后与金属预制层反应生成CuIn_1-XGa_XSe₂或CuIn_1-XGa_XS₂，由于真空室中整个温区的均匀性不可控，且需硒或硫蒸汽布满整个真空室，在真空室壁遇冷则冷凝，导致硒化工艺不稳定，不可控导致吸收层薄膜性能不佳，影响薄膜太阳电池的性能。若通过加入反应气体氢气或氩气+氢气，则生产了剧毒的硒化氢，尾气处理是一大问题；若仅仅通入惰性气体(如：氩气)，则不能控制硒蒸汽或硫蒸汽的压强，导致硒化工艺不稳定，可控性差。

发明内容

本发明为解决现有技术中存在的问题，提供了一种设备简单、过程可控、工艺重复性好的柔性铜铟镓硒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所采用的技术方案是：

柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池吸收层的制备方法，其特点是：在柔性金属或聚酰亚胺膜的衬底上，磁控溅射沉积0.5-1.5μm厚的底电极Mo，再在底电极Mo上用CuIn和CuGa合金靶材以磁控溅射法制备厚度为0.6-1.2μm的金属预制层；将沉积有底电极Mo和铜铟镓金属预制层的基片置于石英管中，同时在管中置入0.5-5g的固态硒源，真空密封，放入可分段程序控温的管式炉中，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℃，进行10-30min的硒化处理，使金属预制层完全转变为CuIn_1-XGa_XSe₂化合物半导体薄膜。

本发明还可以采用如下技术措施来实现：