[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
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 | ||
技术领域
本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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H01L 半导体器件;其他类目中不包括的电固体器件
H01L21-00 专门适用于制造或处理半导体或固体器件或其部件的方法或设备
H01L21-02 .半导体器件或其部件的制造或处理
H01L21-64 .非专门适用于包含在H01L 31/00至H01L 51/00各组的单个器件所使用的除半导体器件之外的固体器件或其部件的制造或处理
H01L21-66 .在制造或处理过程中的测试或测量
H01L21-67 .专门适用于在制造或处理过程中处理半导体或电固体器件的装置;专门适合于在半导体或电固体器件或部件的制造或处理过程中处理晶片的装置
H01L21-70 .由在一共用基片内或其上形成的多个固态组件或集成电路组成的器件或其部件的制造或处理;集成电路器件或其特殊部件的制造