[发明专利]铜铟镓硒太阳能电池、其吸收层薄膜及该薄膜的制备方法、设备

说明书

技术领域

本发明涉及用于太阳能电池的半导体材料的制备方案，尤其涉及一种制备铜铟镓硒太阳能电池吸收层薄膜的方法、设备以及该方法所得到的铜铟镓硒吸收层薄膜及含该吸收层薄膜的太阳能电池。

背景技术

铜铟镓硒(CIGS)太阳电池是多元化合物半导体薄膜电池，它是在玻璃或是其它廉价衬底上依次沉积多层薄膜而构成的光伏器件，其结构如附图1所示。从玻璃衬底到最顶层依次是：金属Mo背电极/铜铟镓硒(CIGS)吸收层/CdS过渡层/本征ZnO(i-ZnO)层/ZnO:Al窗口层，最后可以选择在表面依次镀上减反射层(AR Coating)来增加光的入射，再镀上金属栅极用于引出电流。

铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳电池的主要特点为：光吸收系数非常大(α约为10⁵/cm)，薄膜厚度约为2μm能吸收太阳光90％以上的能量；禁带宽度为1.1-1.4eV，适于太阳光的光电转换；容易形成固溶体，能控制禁带宽度等；铜铟镓硒(CIGS)系薄膜太阳电池不存在光致衰减的问题。

铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳电池的关键部分是铜铟镓硒(CIGS)化合物吸收层，它是吸收太阳光能量转化为电能的核心结构，它的性能直接影响电池的光电转换效率。铜铟镓硒(CIGS)是四元化合物半导体，原子的晶格配比及结晶状况对其性能起着决定性的作用。铜铟镓硒(CIGS)薄膜的制备手段分为三种，第一类是即真空蒸镀，这四种元素(Cu、In、Ga、Se)均可通过蒸镀制膜；第二类是磁控溅射，主要适用于Cu、In、Ga金属薄膜沉积，也可溅射部分二元硒化物(硒化铜、硒化铟等)薄膜；第三类是其他方法，比如电化学沉积、印刷喷涂、化学气相沉积、喷涂热解法、分子束外延等。

目前，国际上主要制备铜铟镓硒(CIGS)薄膜的工艺有两类，一类是由美国可再生能源国家实验室(NREL)发展出的“三步共蒸法”，它的制膜手段采用全蒸镀工艺，具体过程是：第一步先在低基底温度蒸镀In、Ga、Se；第二步在高基底温度蒸镀Cu、Se；第三步高基底温度蒸镀In、Ga、Se。迄今为止世界上最高光电转换效率的铜铟镓硒(CIGS)太阳能电池正是采用了“三步共蒸法”制备铜铟镓硒(CIGS)薄膜，其实验室样片效率达到19.9％。该方法优点在于能够比较容易地控制薄膜成分分布，减少有害的二级相的生成，制备出高效率的电池，但是该方法工艺过程复杂，不适合大规模流水线生产；第二类是以Shell Solar、Showa Shell等公司为代表使用的“预制层——硒化法”，这种工艺中，先统一集中制备三种金属的预制层薄膜，制膜手段可以采用蒸镀、磁控溅射等，再将预制层置入高温富硒环境进行硒化处理。硒化处理的硒气氛，可以由固体硒源蒸发，也可以由硒化氢气体提供。在硒化之前，可根据需求在预制层表面蒸镀上适量的硒。这种工艺常用在工业化大规模生产，目前大面积样片(超过1m²)效率已经接近15％。中国发明专利(公开号：CN1719625)公开了一种铜铟镓硒或铜铟镓硫太阳能电池吸收层的预制层——硒化法，该方法是在钠钙玻璃Mo衬底上，先用真空磁控溅射法统一集中制备CuInGa的金属预制层，再在热处理真空室中进行预蒸发后硒化处理。该方法工艺简单可行，有利于生产需求。但是，该方法所得到的CuInGa金属预制层的厚度都在0.8微米以上，再在此微米级厚度的CuInGa金属预制层上进行硒化处理，对元素成分的控制稍显不力，容易出现Ga元素集中分布在薄膜底(靠近Mo的一侧)、In元素集中分布薄膜表面(靠近CdS的一侧)的现象，会降低开路电压，从而影响光电转换效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种制备铜铟镓硒太阳能电池铜铟镓硒(CIGS)吸收层薄膜的方法、设备及由该方法得到的铜铟镓硒(CIGS)吸收层薄膜，及包含此铜铟镓硒(CIGS)吸收层薄膜的铜铟镓硒太阳能电池，以解决现有技术中In、Ga元素分布不均的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种微-纳技术制备铜铟镓硒太阳能电池的CIGS吸收层薄膜的方法，包括步骤：步骤1：制备第一层纳米量级厚度的铜铟镓硒(CIGS)吸收层薄膜结构，于第一层纳米量级厚度的铜铟镓硒(CIGS)吸收层薄膜结构上顺序制备第二层、第三层至第N层纳米量级厚度的铜铟镓硒(CIGS)吸收层薄膜结构，形成由N层纳米量级厚度的铜铟镓硒(CIGS)吸收层薄膜结构叠加起来的微米量级的铜铟镓硒(CIGS)吸收层薄膜；步骤2：对叠加起来的微米量级的铜铟镓硒(CIGS)吸收层薄膜进行快速退火处理。

其中，N介于10～50之间。