[发明专利]一种高致密性铜铟镓硒太阳能电池薄膜材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种高致密性铜铟镓硒太阳能电池薄膜材料的制备方法，属于新能源材料技术领域。本发明技术方案采用溶胶‑凝胶法制备具有优异光催化活性的铁酸锌复合前驱体凝胶液进行改性，由于凝胶液材料包覆改性颗粒并形成有效包覆后，既有效提高薄膜材料光电效应，同时由于凝胶溶胶复合后形成的三维网络结构有效对材料颗粒进行包覆和连接，进一步提高材料的致密性能，且本发明采用热处理过程对铜铟镓硒薄膜进行改性，退火时铜铟镓硒纳米颗粒相局部熔化，释放了纳米颗粒固相间的内应力，使纳米颗粒融化，相邻的纳米颗粒融合成更大的颗粒，从而形成流动相，随着温度的冷却形成致密的薄膜有利于半导体中载流子的传输，从而进一步改善材料的光电效应。

技术领域

本发明涉及一种高致密性铜铟镓硒太阳能电池薄膜材料的制备方法，属于新能源材料技术领域。

背景技术

进入二十一世纪以来，世界经济飞速发展，能源需求正逐年提高。然而，伴随而来的不仅仅是人类文明的进步，还有传统化石能源的日益枯竭以及愈演愈烈的环境污染问题。最近几年日益严重的雾霾天气，已经严重影响了人们的身体健康和正常生活，而这只是大气污染的一个缩影。为了解决这一全球性难题，世界各国都在加快转变经济增长方式，调整产业结构，尝试在保证能源供给的情况下摆脱对传统化石能源的依赖，这其中最重要的无疑就是对能够可持续利用的新能源，例如光能、风能和地热能等的开发和利用。众所周知，太阳能是一种无穷无尽的清洁能源，无需考虑储量、寿命及各类污染问题，是当之无愧的新能源之首。因此，对太阳能的进一步开发和利用被广泛认为是未来能源的最主要的发展方向之一。 太阳能电池是利用光生伏特效应，从太阳光中吸收能量，能够直接将光能转变为电能的半导体器件。19世纪30年代法国的Becquerel首先发现液体电解液中存在光电效应，揭示了光生电的基本原理，打开了光电转化的大门；20世纪50年代，美国贝尔实验室发明pn结太阳电池，开启了真正意义上的光伏时代；至今，太阳能电池经历了长期的发展，涌现出了各式各样、数目繁多的电池种类，我们可以将之归结为三大类：一类是目前仍然占据世界光伏市场90%以上份额的单晶、多晶等晶体硅太阳电池；另一类则是目前正在大规模产业化道路上摸索前进的以非晶硅、碲化镉以及铜铟镓硒为代表的薄膜太阳电池；第三类为正处于实验室研发热点阶段的新材料、新结构，同时又具有很高转换效率的新型太阳电池，如叠层多带隙太阳电池、量子点太阳电池以及钙钛矿太阳电池等。

各类薄膜太阳能电池中，铜铟镓硒薄膜太阳能电池具有高转换效率的优势，其实验室转换效率记录接近22%，子组件的转换效率接近17%，平方英尺面积或更大面积的组件具有12%-14%的转换效率。可以想象，今后CIGS薄膜电池的最高转换效率将进一步提高。相比于非晶硅薄膜太阳能电池，CIGS薄膜电池在光照下不会衰减，稳定性较高，其出色的性能不只仅限于标准测试条件下，在户外安装条件下的测试数据也同样优良。户外测试表明，其使用寿命可以和晶硅太阳能电池相比。在目前可选择的众多的以其他物质作为吸收层薄膜太阳能电池中，采用钙钛矿、黄铜矿结构的无机化合物半导体作为薄膜制作的吸收层制作的薄膜太阳能电池被认为是新一代最有竞争力的太阳能电池薄膜材料，CIGS 材料具有光吸收能力强、发电稳定性高、转换效率高、生产成本低、能源回收周期短、光学带隙可调等优点，是最具潜力的薄膜太阳能电池吸收层材料之一。由于铜铟镓硒薄膜太阳电池具有以上众多优点，在当今能源短缺和环境污染的情况下，对以铜铟镓硒材料作为吸收层的薄膜太阳电池进行研究具有非常重要的意义。

为了降低制备成本，人们采用一些非真空沉积技术来制备CIGS薄膜，如纳米颗粒沉积、电沉积和喷雾热解、涂覆法等。非真空法制备CIGS薄膜太阳能电池工艺有：溶液配置，旋转涂覆，热处理成膜。非真空技术无需昂贵的真空设备与气体保护装置，设备投资小、原料利用率高、薄膜生长速度快，在降低CIGS太阳电池成本方面具有很大的吸引力。用非真空沉积技术制备的CIGS薄膜具有低成本、清洁、简单、元素分布均匀等优点。IBM 公司用涂覆法这一非真空技术工艺制备出了最高效率15.2%的CIGS电池，然而，这些非真空技术各自有一些缺陷：如，从前驱体或溶液引入杂质，这些杂质会降低器件性能，而且很难去除；热处理形成的薄膜结构不够致密；制成的薄膜太阳能电池光电转化效率较低；所以如何提高材料致密结构，改善材料光电转换效率是现有技术发展的重要组成。