[发明专利]形成用于太阳能电池的CIGS光吸收层的方法及CIGS太阳能电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种形成用于太阳能电池的CIGS光吸收层的方法及CIGS太阳能电池，尤其涉及一种形成CIGS光吸收层的方法，其可以在衬底的碱浓度低，由此CIGS光吸收层的耗尽层厚的情况下，提高太阳能电池的效率。

背景技术

近来由于严重的环境污染问题和化石能源的枯竭，下一代清洁能源开发的重要性越来越受到人们的关注。其中，预期用于直接将太阳能转换为电能的太阳能电池成为能够解决未来能源问题的能量来源，这是因为其产生较少的污染，采用无限的太阳能，并且具有半永久性的寿命。

太阳能电池根据用于光吸收层的材料分为很多种类，而当前最广为使用的是利用硅的硅太阳能电池。但是，近来因硅供应量的短缺，硅的价格急剧攀升，因此，薄膜型太阳能电池受到人们的青睐。薄膜型太阳能电池的厚度较小，使得能够消耗较少量的材料，并且重量轻，因此，用途非常广泛。对作为这类薄膜型太阳能电池的材料的非晶硅和CdTe、CIS(CuInSe₂)或CIGS(CuIn_1-xGaxSe₂)正在进行深入研究。

CIGS薄膜具有1×10⁵cm^-1的高吸收系数，且根据添加剂的类型可以在1至2.7eV的宽的范围内调节其带隙。另外，因为这种薄膜是非常热稳定的，所以即使长时间暴露于太阳光其也表现出几乎一致的效率，并具有高的耐湿性。该CIGS薄膜可以通过各种方法形成，特别地，利用基于PVD的共蒸发法形成的CIGS薄膜的太阳能电池具有最高的效率。共蒸发法的实例可以包括一步共蒸发法、两步共蒸发法和三步共蒸发法。其中，采用三步共蒸发法得到最高的效率。

图4图示了一种采用三步共蒸发法形成CIGS光吸收层的方法。

具体地，在第一步骤中，在约450℃的衬底温度下蒸发In、Ga和Se以沉积(In,Ga)₂Se₃。在第二步骤中，在将衬底温度升高至约700℃的同时，供应Cu和Se，以形成富Cu的状态。最后，在第三步骤中，在维持衬底温度的同时，蒸发In、Ga和Se，从而形成缺Cu的CIGS薄膜。

由此形成的CIGS薄膜由于在第二步骤中通过Cu充足的状态在表面处形成Cu_2-xSe生长为α相。因此，在第一步骤中形成的β-CIGS和γ-CIGS在第二步骤中相变为α-CIGS的同时，形成粗晶粒。

另外，CIGS薄膜具有根据Ga/(In+Ga)比率变化的带隙能量，而三步共蒸发法可以通过在第二步骤中降低Ga/(In+Ga)比率凭借双重分级结构来提高CIGS薄膜太阳能电池的效率，在所述双层分级结构中，背部电极侧和正面的带隙能量高，而中心的带隙能量低。

图5示意性图示了在CIGS薄膜中形成双重带隙倾斜度的情况。(“High efficiency graded bandgap thin-film polycrystalline Cu(In,Ga)Se2-based solar cells”,Solar Energy Materials and Solar Cells41/42(1996)231-246)

如上所述，当CIGS薄膜的正面的带隙高于中心部的带隙时，开路电压可以增加，并且重组可以减少，。当CIGS薄膜的背侧的带隙高于中心部的带隙时，电子迁移率可以增加。

同时，CIGS太阳能电池一般在钠钙玻璃衬底上制作而成。这是因为通过包含于钠钙玻璃衬底中的Na的各种作用提高CIGS太阳能电池的效率。但是，钠钙玻璃衬底的熔点较低，因此，在CIGS太阳能电池的制造方面受限。而且，不能使用金属或聚合物材料的柔性衬底成为CIGS太阳能电池的缺点。为了解决这类问题，正在研究强制注入Na等的各种方法，但亟需不添加Na即可提高太阳能电池效率的技术。

因此，通过改善形成CIGS薄膜的方法而不使用钠钙玻璃衬底和Na来提高太阳能电池效率的技术受到关注。

[现有技术文献]“High efficiency graded bandgap thin-film polycrystalline Cu(In,Ga)Se2-based solar cells”,Solar Energy Materials and Solar Cells41/42(1996)231-246

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