[发明专利]一种三元化合物太阳能电池薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能电池薄膜，特指一种带隙在1.4eV~1.6eV可调的三元化合物太阳能电池薄膜及其制备方法。

背景技术

近年来，一种三元化合物，铜铟硒(CIS )薄膜太阳能电池倍受瞩目，原因是它不但有最佳的光学能隙、吸收率高, 有较高的光电转换效率（14％～16％），而且，抗辐射能力强, 无疲劳，有长期的工作稳定性，被国际上称为最有希望获得大规模应用的太阳能电池之一。

CIS薄膜的一个重要特性是其能隙可通过镓（Ga）和铝（Al）部分取代铟（In），或用硫（S）部分取代硒（Se）来进行调节^[1]，因而也相应地发展出铜铟镓硒 （Cu（In，Ga）Se₂，CIGS)、铜铟镓硒硫（Cu（In，Ga ）（Se，S）₂，CIGSS）和铜铟铝硒硫（Cu（In，Al）（Se，S）₂，CIASS）等体系，其中 CIGS体系光伏性能最优，美国可再生能源实验室制备的小面积 CIGS薄膜电池的最高转换效率达到19.2%。大面积组件转换效率也达到了15%。

目前，国内外达到高转换效率的CIS薄膜电池，一般都是采用多元素共蒸发法制备CIS薄膜，但该方法的重复性不好，且难以保证大面积薄膜成分的均匀性；还有用一步电沉积法制备CIS薄膜的报道^[2]，但清华大学先进材料教育部重点实验室^[3]的研究表明，电沉积法难以控制CIS薄膜的成分满足化学当量，电池的转换效率也难以有很大提高；溅射合金层硒化法是另一种制备CIS薄膜的方法，美国Siemens Solar公司使用该法得到的硒化合金层，制成了转化效率为14.1%的小面积太阳电池，Schmitt^[4]等人采用射频溅射法直接制备CIS薄膜，得到了成分基本符合化学当量，结构为单一的黄铜矿相的CIS薄膜，还可以在真空室内不破坏真空的条件下，在钠碱玻璃基底上，分别采用射频、直流溅射和蒸发法依次沉积Mo、CIS、ZnO、MgF2和金属栅极等多种薄膜，一次完成CIS薄膜电池元器件的制备。

申请人注意到硅和硒都是太阳能电池的优选材料，CuInSe₂（CIS）是一种三元Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ2族化合物半导体，而同样纯度的硒的价格是硅的10倍以上，硒又是一种剧毒元素，以Si 取代Se，探索一种新的、廉价的、稳定的Ⅰ-Ⅲ-Ⅳ族化合物半导体铜铟硅（CuIn₂Si₂）太阳能电池薄膜材料。

本发明用磁控溅射沉积方法制备铜铟硅（CuIn₂Si₂）薄膜，分别采用铜铟硅三靶汇聚共溅射法和铜、铟、硅多薄层溅射复合法制备了铜铟硅化合物薄膜，溅射时，三个靶的溅射功率能独立调节，实现三种元素要求的配比，最后，退火合成三元化合物，两种方法都可以在真空室内不破坏真空环境的条件下，实现各种元素的不同组分的均匀复合，微调薄膜组分可以方便有效地在1.4~1.6eV左右调节三元化合物半导体多晶薄膜的能带间隙。

[1] J. Abushanma, S.Johnston, S.Ward and X.Wu, Improved peformence in CuInSe2 and Surface-modified CuGaSe2 solar cell, MRE/cp, 520, 2005

[2] Lincot,et al. Chalcopyrite thin film solar cells by electrodeposition. [J]Solar Energy.77(2004):725-737

[3] L.Zhang, F.D.Jiang and J.Y.Feng. Formation of CuInSe2 and Cu(In,Ga)Se2 films by electrodeposition and vacuum annealing treatment.[J] Sol. Energy Mater. Sol. Cells,80(2003):483-490

[4]J.Müller, J.Nowoczin and H.Schmitt, Composition,structure and optical properties of sputtered thin films of CuInSe2[J]Thin Solid Films,496（2006）364-370。

发明内容