[发明专利]低温溅射铜锌锡硒太阳能电池

说明书

技术领域

本发明涉及有关薄膜“光伏太阳能”电池芯片，具体涉及低温溅射工艺制造的太阳能电池。 

 背景技术

现有常见的薄膜太阳能电池，采用“碲化镉”，“非晶硅”或“铜铟镓硒（ CIGS）”等薄膜材料，转换太阳能光伏电，采用钠钙玻璃，金属或其它柔性基板，使用高温蒸发，或先使用溅射工艺，镀上金属材料后，再采用“硒化”或“碲化”工艺，建立“P-N结”，然后在吸收层（absorber layer）的上层和下层铺上前后电极；除“非晶硅”，这些薄膜材料都是些十分昂贵的稀少材料，而“非晶硅”的转换效率太低，“碲化镉”有污染问题，“铜铟镓硒”制造工艺十分复杂，很难商品化，尤其对“铜铟镓硒（ CIGS）”薄膜技术，常见使用的电镀沉淀工艺，或使用“金属”或“金属氧化物”经过纳米印刷工艺制造；这些工艺皆不利于批量生产，单“硒化（Selenization）”工艺，就可长达 8 小时，并需用大量有毒气体，比如使用“硒化氢”来逐步使“铜铟镓（ CIS）”薄膜层“硒（Se）”化成““铜铟镓硒（ CIGS）”薄膜层。 

要在低温下做好“铜锌锡硒（CZTS）”薄膜，并能保证它持有最优化的化学成分比例，成为标准的批量生产工艺，我们使用已匹配好化学成分的“铜锌锡硒”四元素固态靶材，用射频或负离子直流脉冲磁控溅射工艺，一次性镀膜；同时，为避免高温下“硒（Se）”的流失，一般行业采用的工艺是利用“硒化氢”气体，来补充“硒（Se）”的流失；但这种气体有毒，不适应批量生产；为了避免这个缺陷，我们使用低温溅射后，再使用高温真空退火炉，分别退火，使用固态“硒（Se）”来控制“硒（Se）”的流失，既避免有毒的“硒化氢”气体，同时，我们将低成本的退火炉单独出来，减轻高真空溅射炉的设备成本。 

发明内容

此项发明的主要目的在于建立一个适合批量生产的薄膜“铜锌锡硒（CZTS）”太阳能芯片的制造工艺；我们首先使用一块已匹配好“化学成分（stoichiometry）”的“铜，铟，镓，硒（ CIGS）”等四元素合成固态靶材，在较低的基板温度下（250-300 摄氏度），用“射频或负离子脉冲直流电源溅射”镀膜，将“铜，锌，锡，硒”等元素，一次性电镀在玻璃基板上；然后再采用带有“硒（Se）”闭封气氛的退火炉，在 500-550 ° C高温下进行退火。 

 此这发明采用十分低成本的“铜，锌，锡，硒”材料，其制造工艺保证了薄膜层“化学成分（stoichiometry）”的优化；免除了传统工艺中长达八少时的“硒化工艺（selenization）” – 传统的“硒化”手段，使用带有毒的“硒化氢”气体，经数小时的化学反应，从已成型的金属薄膜层，进行“硒化”。 

我们采用不高于300 摄氏度的基板温度，能避免四元素溅射时，硒 （Se）的流失；跟着，我们将已具备良好“化学成分（stoichiometry）”的“铜锌锡硒（CZTS）”薄膜基板，调离真空溅射生产线（为避免占用“铜锌锡硒（CZTS）” 真空线，它是生产线上最复杂的瓶颈工艺环节），并采用单独的廉价退火炉进行高温退火；此退火炉用坩埚放置固态硒元素，在真空环境下进行高温退火，滋长大体积的“铜锌锡硒（CZTS）”晶体；由于前面采用四元素固态靶材，已 保证了“铜锌锡硒（CZTS）” 的化学成分，无需添加硒元素；退火炉内放置的固态“硒（Se）”，它并不是为了在“铜锌锡硒（CZTS）”薄膜中添加“硒（Se）”，而是为了保证退火炉内有富裕的“硒（Se）”气体气氛，扼制“铜锌锡硒（CZTS）” 薄膜中“硒（Se）”的流失。这工艺保证了大体积的“铜锌锡硒（CZTS）”晶体，保证了“铜锌锡硒（CZTS）”化学成分的优化及重复性，保证了退火期间“铜锌锡硒（CZTS）”薄膜不会有“硒（Se）”的流失，保证了硒在整个“铜锌锡硒（CZTS）”薄膜层间的均匀性，保证了高转换率的“铜锌锡硒（CZTS）”批量生产工艺。 

附图说明： 

图1为“铜锌锡硒（CZTS）” 模片横截面，“铜锌锡硒（CZTS）薄膜层横切面

1.      通常用的， 1.0 至 4.0 毫米厚，或 3.2 毫米标准厚度的钠钙玻璃基板；

2.      约 0.35 微米厚钼 (Mo)薄膜；

3.      约 0.5至1.5 微米厚，或 1.0 微米标准厚度的“铜锌锡硒（CZTS）”薄膜及类似大小的晶体；

4.      0.05 微米厚的硫化镉（CdS）；

5.      约 0.1 微米厚的绝缘层“氧化锌（i-ZnO）；