[发明专利]硒化物前驱薄膜与快速硒硫化热处理制备薄膜电池方法

说明书

技术领域

本发明涉及化合物半导体薄膜器件的制备，更具体地说，涉及非真空低成本法制备铜铟镓硒硫[Cu(In_0.7，Ga_0.3)Se_2-xS_X简写为CIGS]薄膜太阳电池的硒化物前驱薄膜，并对其进行真空快速硒硫化热处理后，直接、连续化地制备出薄膜太阳电池或光伏集成组件的方法。

背景技术

太阳能电池发电方式是可再生的能源技术，产生电能的过程中对环境影响最小。太阳能发电技术要取得商业上的成功，必须使太阳能电池具有更高的效率、更低的成本、更好的耐候性，并且不增加其它的环境问题。传统晶体硅太阳电池技术的发展得益于电子硅半导体材料的不断技术进步，制造它需要单晶硅上游材料中的多晶硅材料，晶体硅太阳能电池的经济附加值并不高，是一种靠长期累积获取收益的产品，大规模地运用分流了硅半导体电了行业的材料来源，势必进一步加剧全球性资源性的短缺，促使其价格更加地昂贵；从另一方面来说，今天的晶体硅太阳电池产品与技术还占据着统治地位，它基本能满足上述太阳电池技术提及的多项要求，但却不能以低成本方式生产太阳电池，其在生产过程中硅材料的浪费高达70％，并且还需要消耗大量的一次能源，势必对环境造成不利的影响；相对而言，生产晶体硅太阳电池的能源消耗需要三年多的发电才能回收，即使最便宜的晶体硅太阳能电池每瓦特能量输出的制造成本也要3美元，现阶段制约太阳电池发展的最大瓶颈是过高的原材料成本和生产成本。

基于薄膜技术的太阳电池是个正处于发展阶段的技术，它们提供了一种太阳电池成本大幅度降低的技术可能性。制造硅薄膜太阳电池的原材料与电子单晶硅半导体器件制造过程所用原材料是一致的，其来源是多晶硅提纯过程中的中间气态产品，制造硅薄膜太阳电池过程的材料利用率较高；但是，硅薄膜太阳电池的光电转换效率较低和耐久性差(使用过程中的性能衰退)，虽然通过技术进步缓解了这种缺陷，却无法彻底根治。基于化合物半导体Cu(In，Ga)Se₂薄膜太阳电池是一个非常有前途的太阳电池技术，CIGS薄膜的带隙宽度可根据Ga含量在1.04～1.68eV的范围内变化；对可见光的吸收系数高达10⁵/cm，1-2μm厚的薄膜就可以吸收绝大部分阳光，适合于作为廉价太阳电池的吸收层。CIGS薄膜太阳电池具有无衰退、抗辐射、寿命长等特点，最高效率已达19.9％，接近多晶硅太阳电池20.3％的最高光电转换效率，是所有薄膜太阳电池中最高的。并且它可以沉积在大面积廉价衬底-玻璃、不锈钢、钛箔或PI塑料薄膜等基底材料上，与晶体硅太阳电池相比，减少了生产工序，因而在降低成本方面具有独特的优势，如果真空共蒸发和溅射金属预置层技术路线达到生产设计要求，其成本只有晶体硅电池的1/3～1/2。经过二十多年的研究开发，CIGS薄膜太阳电池已基本实现了产业化。

虽然CIGS薄膜太阳电池具有低成本的潜力，但是，二十多年高效CIGS薄膜电池开发技术均是以真空设备为基础，真空溅射金属预置层后硒化技术仅是为了减少共蒸发的控制难度，适合于大面积制备薄膜电池的均匀性和易于工业化连续地生产而开发成功的，其原材料相对利用率更低、所需真空制造设备更多。由于蒸发法和溅射后硒化法都是以真空设备为主，设备庞大、造价昂贵，建立薄膜电池生产线的前期投入大。而且，沉积薄膜的原材料利用率仅为30～60％，其薄膜制备与靶材成本部分就占总成本的45.3％。抵消了CIGS薄膜太阳电池可制备成薄膜的低价优势，也是目前CIGS薄膜电池成本没有达到人们预期那么低的主要原因。

低成本法制备CIGS薄膜电池的主要目的是大量减少使用昂贵的真空设备、降低制造过程中一次能源消耗和提高原材料的利用率。目前，非真空法制备CIGS薄膜主要有两种途径，一种是先将Cu-In-Ga-Se原料制备成纳米涂料，再用湿法涂覆在合适的衬底上干燥成膜，然后进行热处理；另一种是水浴电沉积制备CIGS薄膜后再热处理。这两种技术途径有着共同的特点，都是从水溶性原料中得到CIGS薄膜的预置层，然后进行加热后处理；共同的优点是：(1)设备简单、投资小、成本低；(2)、原材料利用率高达95％以上；(3)可以大面积、连续、低温法沉积薄膜前驱物。这种方法目前已经取得较大的突破，国外已经有多个公司开始产业化进程。但是，这种方法还存在薄膜质量多孔、夹杂，加热硒化处理后出现裂纹等现象。