[发明专利]光辅助方法制备铜铟镓硒薄膜太阳电池光吸收层

说明书

技术领域

本发明涉及化合物半导体薄膜的制备方法，更确切地说涉及铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳电池光吸收层的制备方法，属于光伏材料新能源技术领域。

背景技术

铜铟镓硒(Cu(In，Ga)Se₂，简称CIGS)薄膜太阳电池是新一代最有前途的太阳电池，它具有成本低、效率高、寿命长、弱光性能好、抗辐射能力强等多方面的优点。自上世纪90年代以来，CIGS在所有薄膜太阳电池中，就一直是实验室转换效率最高的薄膜太阳电池。2008年4月，美国可再生能源实验室(NREL)又将其实验室最高转换效率刷新为19.9％(Ingrid Repins，Miguel A.Contreras，Brian Egaas，Clay DeHart，John Scharf，Craig L.Perkins，Bobby To and Rommel Noufi，Progress in Photovoltaics：Research andApplications，16(3)，235-239，2008)，与多晶硅的实验室最高转换效率20.3％已非常接近，展示出诱人的发展前景。

CIGS光吸收层的制备是CIGS薄膜太阳电池的核心工艺。NREL制备高效CIGS太阳电池光吸收层的工艺为三步共蒸发法(A.M.Gabor，J.R.Tuttle，D.S.Albin，M.A.Contreras，and R.Noufi，Appl.Phys.Lett.65，198，1994)，采用三步共蒸发法所制备的小面积CIGS光吸收层薄膜，虽然制备的CIGS光吸层的质量高、性能好，但由于需要对铜、铟、镓、硒四个蒸汽压相差非常大的单质源进行独立精确的控制，尤其是硒的反蒸发和铟镓硒化合物的反蒸发，对薄膜成分的控制带来了非常大的困难，在制备大面积CIGS光吸收层薄膜时难以保证薄膜成分均匀性和质量的可靠性，因而难以实现大规模生产。

先采用磁控溅射Cu-In-Ga预制合金膜，然后热处理硒化的工艺是目前CIGS薄膜太阳电池产业化的首选工艺，但该方法通常采用H₂Se等剧毒的Se源，对环境污染很大，对生产设备的要求也很高；若采用固态单质Se源时，由于Se蒸汽的反应活性低，Cu-In-Ga预制合金膜与Se蒸汽反应时容易生成中间成分而导致In、Ga等元素的挥发，从而导致薄膜的均匀性和重复性都难以控制。所以不能以H₂Se或固态单质Se作为制备CIGS薄膜太阳能电池Se的单质源。

另一方面考虑到，每摩尔Se-Se单键的键能为172kJ，相当于每根Se-Se单键的键能为1.54eV，每摩尔Se＝Se双键的键能为272kJ，相当于每根Se＝Se双键的键能为2.42eV。Se蒸汽分子是由Se-Se单键和Se＝Se双键等方式键合而成的，若采用光子能量大于2.42eV(即波长小于445nm)的光辐照Se蒸汽，则可望有效地将Se蒸汽光解为Se原子团或Se自由基。这些被光解的Se原子团或Se自由基，都具有非常高的反应活性，不仅使Se原子团或Se自由基与Cu-In-Ga预制合金膜的反应温度显著降低，而且又可以有效地抑制挥发性强的中间成分相的生成。本发明正是以此为基础，实现了大面积CIGS薄膜的低温制备和制备工艺的稳定。

发明内容

本发明的目的在于提供CIGS薄膜太阳电池光吸收层的一种制备方法，采用本发明提供的制备方法不但可以提高大面积CIGS薄膜制备工艺的稳定性和成分的均匀性，提高CIGS薄膜太阳电池的光电转换效率，而且可以实现光吸收层薄膜的低温制备。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

CIGS薄膜太阳电池光吸收层的一种制备方法，其特征在于先制备Cu-In-Ga预制合金膜，然后将Cu-In-Ga预制合金膜在光辅助下经硒化反应而生成CIGS薄膜。具体步骤如下：

(1)制备Cu-In-Ga预制合金膜：在衬底上通过磁控溅射法，采用低Ga含量的CuGa合金靶和In靶同时或先后溅射，或高Ga含量的CuGa合金靶和CuIn合金靶同时或先后溅射，或CuInGa合金靶溅射，制备Cu-In-Ga预制合金膜；