[发明专利]一种利用铜铟镓硒合金旋转溅射靶材生产铜铟镓硒薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明属于太阳能利用设备领域，特别涉及一种利用单个四元素铜铟镓硒合金旋转溅射靶材高效生产铜铟镓硒薄膜的方法。

背景技术

过去几十年中，太阳能电池板的制造业规模迅速扩大。2011年，美国太阳能产业的增长率高达109%，在新能源技术领域中首屈一指。铜铟镓硒薄膜太阳能电池在太阳能电池板领域发展迅速，其通常在一层刚性的玻璃底板或是柔性的不锈钢板上依次设有钼层（1）、p-型铜铟镓硒薄膜吸收层（2）、硫化镉缓冲层（3）、本征氧化锌（4）、铝-氧化锌窗口层（5）和表面接触层（6），见图1。根据Lux Research的研究报告，2011年铜铟镓硒薄膜太阳能市场产能达到1.2GW，并将于2015年达到2.3GW；其他太阳能电池研究机构均预测铜铟镓硒薄膜太阳能电池的市场份额将由2010年的3%增长至2015年的6%，并将在2020年达到33%。这充分表明铜铟镓硒薄膜太阳能电池技术将引领未来的太阳能电池市场，并具有巨大的商业潜力。作为被美国能源部和其他知名太阳能电池研究机构列为最有发展前景的薄膜太阳能电池技术，铜铟镓硒薄膜太阳能电池技术正凭借着其广泛的优势吸引着越来越多的研究人员和投资者。迄今为止，铜铟镓硒薄膜太阳能电池的效率在实验室中已经突破了20.3%。同时，越来越多的公司、机构正在致力于实现这项技术的商业化。

然而，铜铟镓硒薄膜太阳能电池的商业化进程目前仍然落后于单晶硅太阳能电池和其他薄膜太阳能电池，例如碲化镉薄膜电池。造成铜铟镓硒薄膜太阳能电池实现大规模量产的最大障碍是铜铟镓硒薄膜高昂的生产成本。到2020年，美国能源部对太阳能电池板的系统安装成本目标为0.5美元/瓦，这依然高于单晶硅太阳能电池和其他薄膜太阳能电池。

现有，铜铟镓硒薄膜的生产方法大体上可被分为非真空法和真空法。非真空方法包括电化学镀膜法、喷墨打印法、FASST法和旋转涂布法等；偏低的效率是非真空法仍需解决的一大问题。真空法主要包括共蒸镀法和两步溅射加硒化法。

共蒸镀法在实验室和商业应用中都是一种常见的沉积方法。共蒸镀法使用多个蒸发源及三步工艺来制造铜铟镓硒薄膜吸收层，可以很好的控制工艺参数和调节薄膜组成结构及带隙。目前最高效率的铜铟镓硒薄膜太阳能电池就是用这种方法制造的，这种高效率主要归功于镓的有效分级，同时产生了后背场，阻止了电子和空腔的重新组合，从而有效的提高了能量转换效率。然而，共蒸镀法的均匀度在大规模生产时仍面临一些问题；同时，如何精确控制各个蒸发源也是联合蒸镀法需要解决的一大问题。

两步溅射法。这种方法是目前生产铜铟镓硒薄膜吸收层最前沿的技术。它包括溅射和硒化等工艺过程。该方法以铜化镓或者铜/镓靶材以及铟靶材为原料，使用共溅射或者连续溅射的方法将合金沉积到无定形薄膜上；之后再将薄膜在硒化氢或者硒的环境里进行硒化，最终形成p-type吸收层。目前，日本的Solar Frontier公司已经用此方法制造出了900MW产能的低成本铜铟镓硒薄膜太阳能电池生产线。Miasole和Nuvosun公司也用此方法分别制造出了80MW和50MW的生产线。靶材溅射法已经或正在引领着铜铟镓硒薄膜太阳能电池的大规模量产，因为该方法在大面积均匀性和高沉积率上都有着显著的优势。然而，该方法最后的硒化步骤有一定的环境隐患，因为硒化氢气体具有毒性；同时该方法需要高温，这也增加了工艺成本。

铜铟镓硒薄膜的生产方法的生产方法的优缺点见表1。

表1铜铟镓硒薄膜的生产方法的生产方法对比

共蒸镀法可以使铜铟镓硒薄膜太阳能电池效率达到20.3%，这不仅仅归功于蒸镀工艺，同样也有结构优化的因素；而溅射三步工艺法不仅在镓的分级结构上有重要突破，形成了后背场结构，同时该方法合成的产品具有大颗粒度的边界结构，这一特性被证明对提高效率有着重要作用。另外，Heliovolt的Stanbery博士认为铜铟镓硒薄膜太阳能电池效率还取决于富铜的p-type铜铟镓硒和贫铜的n-type铜铟镓硒之间的内吸收层连结结构。这种内吸收层连结模型将能够很好的解释目前关于铜铟镓硒薄膜太阳能电池的很多难题，包括镓对富含铜的p-type铜铟镓硒结构的促进作用还有铟对缺乏铜的n-type铜铟镓硒结构的促进作用。