[发明专利]一种基于一步共蒸发工艺制备梯度带隙光吸收层的方法和装置

说明书

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一步共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组件的制备。

背景技术

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Ascent solar、Global Solar Energy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(wurth solar)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。

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。吸收层材料中一定量的Ga原子替代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。

E_g(x)＝(1－x)E_g(CIS)+xE_g(CGS)－bx(1－x)(1)

先前研究表明，Ga使Cu(In_1－x，Ga_x)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(In_1－x，Ga_x)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。然而，共蒸发三步法工艺在制备吸收层的过程中需要多次改变蒸发源温度和衬底温度，过程较为复杂。该技术难以应用于大面积CIGS吸收层，或者向CIGS连续化生产进行技术转化。