[发明专利]一种铜铟镓硒薄膜预制层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种太阳能电池薄膜，特别涉及一种铜铟镓硒薄膜预制层及其制备方法。

背景技术

随着人类能源消耗的不断增加，不可再生的能源如化石燃料的耗尽已是亟待解决的问题。化石能源消耗总量将于约2030年出现拐点，可再生能源的比重将不断上升，其中，太阳能在未来能源结构中的比重将越来越大，保守估计这比重于2100年会超过60%。太阳能是众多可再生能源中最为丰富的能源，全球接收的一小时太阳光的能量就相当于地球一年的能耗，远远高于风能、地热、水电、海洋能、生物能等能源。

制约太阳能大规模发电的瓶颈主要是光伏器件的低转化效率和光伏面板的成本。发电要实现“平价上网”，发电成本要达到每度人民币0.6元，光伏板成本要降至每瓦人民币3～4元，售价每瓦人民币5～7元。由于目前市场多晶硅光伏板价格已接近企业的成本价，多晶硅光伏板制造技术也已相对成熟，下调空间有限，以多晶硅光伏板实现“平价上网”难以实现。

铜铟镓硒（CuIn_xGa_ySe_z，也可包括硫，简写为CIGS）薄膜光伏板以其转换效率高、长期稳定性好、抗辐射能力强等优点成为光伏界的研究热点，有望成为下一代的廉价光伏板。它有以下优势：

（1）高的光电转换效率，目前玻璃衬底铜铟镓硒薄膜光伏板实验室效率已经超过20%，接近传统晶硅光伏板的世界纪录。大面积铜铟镓硒薄膜光伏板组件的转换效率也有超过14%的产品，是所有薄膜光伏板中最高的；

（2）弱光性能好，在非太阳直照时也可产生电，从光伏发电场实际运行的经验，阴天及早上黄昏可提供更多的电能。

（3）温度系数低，在温度高时包括当地温度高或因阳光照射而温度高，CIGS光伏板可保持较高的转换效率。因此在相同的效率下，CIGS光伏板比传统晶硅光伏板产电更多；

（4）成本低、材料消耗少；

（5）长期稳定性好，室外使用不衰减；

（6）能量偿还周期短；

（7）适合发展多用途的柔性光伏组件。

这些优势令铜铟镓硒薄膜光伏板在民用领域以及军用领域具有广阔的应用前景，如光伏建筑一体化、大规模低成本发电站、太阳能照明光源、空间及邻近空间系统等。

铜铟镓硒薄膜光伏板是多层膜结构，通常包括：衬底、背电极、铜铟镓硒薄膜、缓冲层、透明导电层等，其中铜铟镓硒薄膜是太阳能光伏板最关键的组成部分，其制备方法决定了光伏板的质量和成本。

目前在市场上普遍应用于光电器件的化合物半导体的生产工艺几乎都是使用高真空技术比如蒸镀或者溅射，特别是在CIGS领域。但是上述真空技术在前期投入和运行过程中均需耗费大量的成本。此外，仪器设备的真空室尺寸也会限制薄膜的产量，进一步影响生产效率。以此发展非真空法制备铜铟镓硒薄膜有利于CIGS大规模化生产。常用的非真空法有纳米粒子涂覆法和电化学沉积方法。

Nanosolar公司率先采用了墨水打印制备铜铟镓硒薄膜的技术（参见K.Pichler，美国专利号7,122,398及引用文献）。其制备流程是：先通过化学方法制备得到CIGS纳米颗粒，然后把这些纳米颗粒分散形成胶体溶液（通常叫做CIGS纳米墨水），加入合适的表面活性剂以防止纳米颗粒团聚，除此之外还加入打印过程所需的其他化学添加剂。CIGS纳米墨水在打印形成薄膜后，需要热处理去掉先前加入的溶剂，表面活性剂以及其他化学添加剂，然后才能烧结形成均一薄膜。

许多导电材料都可以通过低成本的电化学沉积大规模制备得到，用电沉积法制备铜铟镓硒薄膜成为降低成本、获得大面积铜铟镓硒薄膜的主要研究方向之一。电化学沉积得到的铜铟镓硒薄膜预制层需要进一步热处理，才能得到铜铟镓硒薄膜。电化学沉积时需要严格控制溶液中Cu、In、Ga、Se各元素的量，以及准确控制电化学还原电位，并控制溶液在电化学沉积过程中不产生其他副反应，使铜铟镓硒薄膜中各元素的化学计量比合适，从而为获得良好质量的铜铟镓硒薄膜提供有利基础。