[发明专利]生产铜铟镓硒(CIGS)太阳能电池的电化学方法

说明书

相关美国申请的引用

本专利申请涉及并要求2009年9月8日提交的标题为“生产铜铟镓硒(CIGS)太阳能电池的电化学方法”的第61/240,551号美国临时专利申请的优先权，其整体内容通过引用并入本文。

发明领域

本发明涉及生产铜铟镓硒(CuIn_xGa_1-xSe₂)(简写为CIGS)膜的方法以及使用这些CIGS膜作为p型半导体且II-VI层或有机半导体作为n型半导体的生产光伏太阳能电池的方法。所述方法包括以基于一锅浴法的方法依次制备这些层。本方法提供了从离子液体中生产大面积CIGS膜的低成本方式的电化学方法。

发明背景

虽然照射到地球的太阳光具有非常显著的潜在势：1.5天的能量相当于我们约3万亿桶全球储油量的能量，目前太阳能方法仅提供全球0.015％的电力。采用大规模太阳能来电能转换的瓶颈是光伏(PV)转换的低效率和太阳能电池的高制造成本。所有这些均使太阳能电池价格从其目前＞$0.3kW-hr-4/kW-hr的水平降至市场可接受的约$0.1/kW-hr的水平变得困难。关键在于太阳能板生产成本必须显著低于目前约$1/W的成本。随着低成本和大面积太阳能电池生产的技术进步、诸如在聚合物或其它柔性材料上制造的可穿戴式太阳能电池的新应用将进一步扩大太阳能电池市场远远超出目前的设想。

在多数太阳能吸收半导体材料中，当达到Cu(In_xGa_1-x)Se₂的化学计量时，x数值范围约为0.6至0.8，铜铟镓硒(CIGS)薄膜的吸收光谱与太阳能光谱匹配。它们由于该特性而具有获得太阳能电池中非常高的PV转换的巨大潜能。因此，CIGS在太阳能电池生产中发挥重要作用。事实上，在研究实验室中已经证实CIGS薄膜太阳能电池具有约20％的转换效率。按照目前市场上生产光电复合半导体的普遍技术，几乎CIGS企业的所有全球参与者均通过蒸发或溅射的高真空技术生产CIGS。然而，这些制造方法中包括的资金和运行成本均很高，生产量有限并且由于要求这些膜的高效商业化而不利于规模放大生产，因为用于沉积这些膜的真空室的有限尺寸。

另一技术问题是控制化学计量CIGS膜的形成和该材料所要求的这些膜中的适当晶粒性质以用于大规模太阳能电池应用。由于即使在中等高温下硒相对高的蒸汽压，因此沉积态(as-deposited)的CIGS膜常不具有最佳量的硒。避免该问题的普遍方法是在300℃至600℃的温度下，在硒蒸气的存在下烧结沉积态(as-deposited)的CIGS膜。尽管能将所述膜连续供给至空间最佳化的烧结室用于提高生产量和降低成本，但由于非常毒的硒蒸气的存在，该沉积后处理仍需要真空技术、热能和电能以及全面安全规程的额外制造步骤。更重要地，采用＞300℃的热烧结丧失了在聚合物和许多其它潜在期望的材料上直接生产太阳能电池的机会。

为了满足用于CIGS太阳能电池制造的CIGS膜卷的高效、经济和实用的大面积生产的以市场为导向的技术要求，Nanosolar公司率先采用CIGS膜形成的喷墨印刷技术(参见例如，K.Pichler出版的第7,122,398号美国专利以及其中引用的参考文献)。在该方法中，化学合成CIGS纳米颗粒并将其悬浮在胶质液体(通常称为“纳米-CIGS墨”)中，使合适的表面活性剂存在于各个纳米颗粒的表面上以防止颗粒团聚，并使油墨印刷方法所需的其它化学添加剂存在。然后，印刷纳米-CIGS墨并通过印刷的CIGS膜的热处理形成CIGS膜以去除溶剂、表面活性剂和其它化学添加剂并将纳米-CIGS颗粒烧结为一致的膜。

Pichler出版的第7,122,398号美国专利公开在该热处理步骤之后，“可选择地在约300℃至500℃下将所述膜暴露于硒蒸气中约30分钟至45分钟以确保Se在所述膜中的合适化学计量”。本领域公知这样的硒化热处理还改善CIGS膜的晶粒性质和电性质(参见例如，N.Naghavi等人，Progress in Photovoltaics：Research and Application(光伏学的发展：研究和应用)，2009，17，1-9)。因此，仍未满足低成本和大面积沉积化学计量CIGS膜而不需要任何沉积后的热处理的技术要求。