[发明专利]一种基于连续蒸发工艺制备梯度带隙光吸收层的方法和装置在审

专利信息
申请号: 201511026800.1 申请日: 2015-12-29
公开(公告)号: CN105655235A 公开(公告)日: 2016-06-08
发明(设计)人: 王赫;杨亦桐;张超;申绪男;赵岳;姚聪;乔在祥 申请(专利权)人: 中国电子科技集团公司第十八研究所
主分类号: H01L21/02 分类号: H01L21/02;H01L31/18;C23C14/24;C23C14/56
代理公司: 天津市鼎和专利商标代理有限公司 12101 代理人: 李凤
地址: 300384 天津*** 国省代码: 天津;12
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摘要:
搜索关键词: 一种 基于 连续 蒸发 工艺 制备 梯度 光吸收 方法 装置
【说明书】:

技术领域

发明属于铜铟镓硒薄膜太阳电池技术领域,尤其是涉及一种基于连续蒸发工艺 制备梯度带隙光吸收层的方法和装置,该装置和方法可实现该领域中基于刚性或柔性衬底 的铜铟镓硒薄膜电池以及大面积电池组件的制备。

背景技术

相比于硅基薄膜、碲化镉等其他薄膜太阳电池,铜铟镓硒(化学式为Cu(In1-x,Gax) Se2,以下简称CIGS薄膜太阳电池具有光电转换效率高、稳定性好,抗辐射能力强等优势,被 认为是最有前途的光伏器件之一。特别是柔性衬底铜铟镓硒薄膜电池,具有质量比能量高, 可覆盖弯曲或异性的表面,适合卷对卷制备以及电池组件单片集成等特点,可应用领域十 分广泛。2013年,瑞士联邦技术学院(EMPA)使用共蒸发方法在聚酰亚胺衬底上制备的铜铟 镓硒薄膜太阳电池效率达到20.4%(电池面积约0.5cm2),美国Ascentsolar、Global SolarEnergy等公司已经实现了柔性CIGS薄膜电池组件的批量生产。2014年,德国Manz公 司斯图加特研发中心(wurthsolar)制备的刚性衬底CIGS薄膜太阳电池效率达到21.7% (电池面积约0.5cm2),首次超过的多晶硅电池效率的世界纪录,并且该公司已近出售大面 积CIGS电池商业化组件及生产线。在CIGS薄膜太阳电池技术领域,实验室技术不断取得突 破,并逐渐向大面积电池组件生产线上转化,推动了整个薄膜太阳电池领域技术的进步和 产业化发展。

CIGS薄膜电池及组件性能不断取得突破,主要归因于CIGS吸收层光电性能的优化 以及相应制备技术的进步。在CIGS薄膜太阳电池中,吸收层薄膜作为太阳电池PN结中的P 层,承担着大多数光生载流子的输运和收集工作,其物理特性对CIGS薄膜太阳电池性能具 有决定性的影响。根据晶体学理论,CIGS属于Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族化合物半导体材料,其晶体结构 为黄铜矿结构,此结构由两个面心立方晶格套构而成,一个是由阴离子Se组成的面心立方 晶格,另一个是由阳离子Cu、In共同构成的面心立方晶格。其中掺入的Ga原子部分地替代In 原子,使CIGS材料的带隙在1.04~1.68eV范围内可调,如公式(1),其中b为实验测得的能带 弯曲系数,一般公认为0.15-0.24eV,x为CIGS薄膜中Ga原子所占的比例,CIS为CuInSe2简 称,CGS为CuGaSe2简称。

Eg(x)=(1-x)Eg(CIS)+xEg(CGS)-bx(1-x)(1)

先前研究表明,Ga使Cu(In1-x,Gax)Se2化合物在相图中的稳定区增大,提高了制备 该类化合物薄膜的光电性质稳定性和一致性,降低了工艺难度。随着x从0开始增加,Cu (In1-x,Gax)Se2能带的导带底上移,使空间电荷区附近禁带宽度增大,相应电池的Voc增加, 光电转换效率增加。然而,当x>0.3时,电池效率开始随禁带宽度的增大而下降,如图1所示。 这主要归因于较高的Ga含量使吸收层内缺陷浓度显著增大,光生少数载流子被大量复合, 其扩散长度和寿命减小,抑制了Voc增加,同时,造成电池填充因子FF的下降。此外,吸收层 禁带宽度的增大,降低了其对低能光子的吸收,引起电池短路电流的下降一首电池对低能 量光子的吸收,导致短路电流Jsc减小。

美国国家可再生能源实验室采用共蒸发三步法制备CIGS薄膜,在薄膜生长过程 中,与In原子相比,在相同温度下,Ga原子与Cu、Se原子及其硒化物发生化学反应的速率较 低,元素通过化学反应及互扩散自然形成了Ga元素的梯度分布,得到的吸收层表面和背电 极附近的Ga含量较高,其示意图如图2所示。吸收层表面带隙的提高,可以增大空间电荷区 (SCR)的禁带宽度,从而提高了Voc。同时,高能量的光子在薄膜表面宽带隙处被吸收,而低 能量的光子在带隙较窄的薄膜内部被吸收,有效扩宽了电池的光谱响应范围,CIGS薄膜电 池效率得到显著提升。目前,具有光电转换效率世界纪录的CIGS薄膜太阳电池的吸收层就 是由共蒸发三步法工艺制备的。

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