镓元素均匀分布的铜铟镓硒薄膜吸收层制备装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了镓元素均匀分布的铜铟镓硒薄膜吸收层制备装置。装置包括位于硒化炉腔内的样品托架、样品加热台、分流板、坩埚、坩埚加热器和硒颗粒；铜铟镓合金预制层样品的两端放置在样品托架上，样品加热台位于铜铟镓合金预制层样品上方，样品托架下方设有坩埚和坩埚加热器，坩埚内装有所述硒颗粒，坩埚上方开口设有供硒蒸汽穿过的分流板，分流板位于铜铟镓合金预制层样品下方；硒化炉腔的一侧壁设有抽气系统，与抽气系统相对的硒化炉腔另一侧壁设有进气系统。本实用新型专利技术制备的铜铟镓硒薄膜其成分中各元素特别是镓元素分布均匀；制备的铜铟镓硒薄膜太阳能电池转换效率大大提高。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及铜铟镓硒薄膜太阳能电池
，尤其涉及一种镓元素均匀分布的铜铟镓硒薄膜太阳能电池吸收层的制备装置。
技术介绍
在所有的薄膜太阳能电池中，铜铟镓硒(Cu(In,Ga)Se2，CIGS)薄膜太阳能电池被认为是最具有发展前景的太阳能电池。其可见光吸收系数高（105cm-1）、带隙可调（1.04~1.67eV）、光电转换效率高、稳定好以及抗辐射性能强，目前最高转换效率已达22.6%。铜铟镓硒薄膜，是通过在铜铟硒薄膜中有效掺杂适量的金属镓来替代部分金属铟，从而制备出铜铟镓硒薄膜。真空法和非真空法是目前制备CIGS薄膜太阳能电池的两大方法。真空法如共蒸发法和溅射后硒化法制备的CIGS薄膜质量和电池效率虽然都优于非真空法，但真空制备条件要求高，设备成本投入很高，主要以实验室研究为主。而非真空法以其设备投入成本低、制备条件相对简单和材料利用率高等优势被视为降低CIGS薄膜太阳能电池制造成本的有效途径之一。非真空法中以电沉积法为主，可分为一步电沉积法和分步电沉积后硒化法。一步电沉积法虽然可以一次性制备出CIGS薄膜，但其电镀溶液稳定性差，易变质。而分步电沉积后硒化法制备的CIGS薄膜成分轻易可控，且其溶液稳定性高，更适合大规模生产。然而，在利用分步电沉积后硒化法制备CIGS薄膜的过程中，存在着镓元素掺入困难或是其在CIGS薄膜中分布不均的问题。其中，镓元素在CIGS薄膜中分布不均是由于金属铟和镓在热力学性能以及扩散能力上的差异，使得金属镓在高温硒化过程中易聚集在背电极附近，导致CIGS薄膜表面贫镓、底部富镓，严重时会造成薄膜中出现铜铟硒（CIS）和铜镓硒（CGS）两相分离现象。镓的分布不均，将直接影响CIGS薄膜的带隙，弱化了电池转换效率。
技术实现思路
本技术针对当前分步电沉积后硒化法制备的铜铟镓硒薄膜中镓元素分布不均而导致铜铟镓硒薄膜表面贫镓、底部富镓，甚至造成薄膜中出现铜铟硒（CIS）和铜镓硒（CGS）两相分离的问题，提供镓元素均匀分布的铜铟镓硒薄膜吸收层制备装置。本技术通过在硒化反应过程中引入等离子强化硒化刻蚀复合技术，利用等离子提高硒蒸汽活性的同时，也利用等离子对铜铟镓合金预制层进行刻蚀，去除了铜铟镓合金预制层中多余的铟，增大了铜铟镓合金预制层的表面积以利于活化硒蒸汽更好的扩散渗入，使得活化硒蒸汽与铜、铟和镓元素反应更充分，从而实现镓元素在薄膜中分布均匀，具体技术方案如下。镓元素均匀分布的铜铟镓硒薄膜吸收层制备装置，其包括位于硒化炉腔内的样品托架、样品加热台、分流板、坩埚、坩埚加热器和硒颗粒；铜铟镓合金预制层样品的两端放置在样品托架上，样品加热台位于铜铟镓合金预制层样品上方，样品托架下方设有坩埚和坩埚加热器，坩埚内装有所述硒颗粒，坩埚上方开口设有供硒蒸汽穿过的分流板，分流板位于铜铟镓合金预制层样品下方；硒化炉腔的一侧壁设有抽气系统，与抽气系统相对的硒化炉腔另一侧壁设有进气系统。进一步地，所述进气系统与氩气气源连接。进一步地，所述分流板的出气孔正对样品加热台下方的铜铟镓合金预制层样品。本技术的镓元素均匀分布的铜铟镓硒薄膜太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：在衬底上依次制备钼背电极、吸收层、缓冲层、本征氧化锌层、掺铝氧化锌层和上电极，得到所述镓元素均匀分布的铜铟镓硒薄膜太阳能电池。进一步地，所述吸收层的制备包括如下步骤：（1）在溅射有钼背电极的衬底上依次电沉积铜层、铟层和镓层；（2）将依次沉积有钼背电极、铜层、铟层和镓层的衬底置于真空中进行热退火处理，以促进铜铟镓三种元素相互扩散和反应，形成铜铟镓铜铟镓合金预制层；（3）将制得的铜铟镓铜铟镓合金预制层置于硒化炉中进行硒化反应，在硒化反应过程中，引入等离子强化硒化刻蚀复合技术，制备得到镓元素均匀分布的铜铟镓硒薄膜吸收层。更进一步地，所述衬底为钠钙玻璃。更进一步地，步骤（1）中所述铜层采用脉冲直流电沉积，脉冲直流电频率为3000～5000Hz，占空比为5～15%，电流密度为55～60mA/cm2，沉积时间为11～13s。更进一步地，步骤（1）中所述铟层采用脉冲直流电沉积，频率为3000～5000Hz，占空比为20～30%，电流密度为10～15mA/cm2，时间为100～120s。更进一步地，步骤（1）中所述镓层采用直流电沉积，电流密度为210～235mA/cm2，时间为15～17s。更进一步地，步骤（2）中所述热退火处理的温度为150～250℃，时间为30～60min。更进一步地，步骤（3）中所述硒化反应的反应温度为530~550℃，反应时间为30~40min，硒源温度为240~260℃。更进一步地，步骤（3）中所述等离子强化硒化刻蚀是在硒化反应过程中引入等离子，利用等离子提高硒蒸汽活性的同时，也利用等离子对铜铟镓合金预制层进行刻蚀，使得活化硒蒸汽与铜、铟和镓元素反应更充分；所述等离子为氩等离子；所述等离子的产生过程采用了射频电源，功率为30～50W。与现有技术相比，本技术具有如下的优点及效果：（1）本技术设计巧妙，结构简单紧凑，在硒化反应过程中引入等离子强化硒化刻蚀复合技术，可以大大提高硒蒸汽的活性，有利于硒蒸汽与铜铟镓合金预制层中的铜、铟、镓元素充分反应。（2）利用等离子强化硒化刻蚀复合技术对铜铟镓合金预制层进行刻蚀，去除了铜铟镓合金预制层中多余金属铟的同时，也增大了铜铟镓合金预制层的表面积，有利于活化硒蒸汽的扩散渗入。（3）本技术制备所得铜铟镓硒薄膜，其成分中各元素，特别是镓元素分布均匀；制备的铜铟镓硒薄膜太阳能电池转换效率大大提高，转化率达到8.27%~8.62%。附图说明图1为实例中促进镓元素均匀分布的铜铟镓硒薄膜吸收层制备装置示意图。图2为普通硒化制备的铜铟镓硒薄膜中各元素的深度分布图。图3为本技术制备的铜铟镓硒薄膜中各元素的深度分布图。具体实施方式下面结合具体实施例对本技术作进一步具体详细描述。如图1，为镓元素均匀分布的铜铟镓硒薄膜吸收层制备装置，包括位于硒化炉腔113内的样品托架101、样品加热台102、分流板105、坩埚106、坩埚加热器107和硒颗粒108；铜铟镓合金预制层样品103的两端放置在样品托架101上，样品加热台102位于铜铟镓合金预制层样品上方，样品托架下方设有坩埚106和坩埚加热器，坩埚内装有所述硒颗粒，坩埚上方开口设有供硒蒸汽穿过的分流板105，分流板位于铜铟镓合金预制层样品下方；硒化炉腔的一侧壁设有抽气系统111，与抽气系统111相对的硒化炉腔另一侧壁设有进气系统112。图1所示装置采用的等离子强化硒化刻蚀复合技术的工作原理为：氩气通过进气系统112，流入硒化炉腔113中作为诱导气体以产生氩等离子104。在硒化反应过程中，坩埚106中的硒颗粒108被坩埚加热器107加热变成硒蒸汽109，流出分流板105后进入氩等离子区域，被氩等离子104进一步裂解形成反应活性更高的活化硒蒸汽110；该活化硒蒸汽110与放置在样品托架101上的被样品加热台102加热的铜铟镓合金预制层样品103反应，在反应过程中，氩等离子104也对铜铟镓合金预制层样品103进行刻蚀，去除了铜铟镓合金预制层中多余金属铟的同时，也增大了铜铟镓合金预制层的表面积，有利于活化硒蒸汽的扩散渗入；与此同时，抽本文档来自技高网...

【技术保护点】
镓元素均匀分布的铜铟镓硒薄膜吸收层制备装置，其特征在于包括位于硒化炉腔内的样品托架、样品加热台、分流板、坩埚、坩埚加热器和硒颗粒；铜铟镓合金预制层样品的两端放置在样品托架上，样品加热台位于铜铟镓合金预制层样品上方，样品托架下方设有坩埚和坩埚加热器，坩埚内装有所述硒颗粒，坩埚上方开口设有供硒蒸汽穿过的分流板，分流板位于铜铟镓合金预制层样品下方；硒化炉腔的一侧壁设有抽气系统，与抽气系统相对的硒化炉腔另一侧壁设有进气系统。

【技术特征摘要】
1.镓元素均匀分布的铜铟镓硒薄膜吸收层制备装置，其特征在于包括位于硒化炉腔内的样品托架、样品加热台、分流板、坩埚、坩埚加热器和硒颗粒；铜铟镓合金预制层样品的两端放置在样品托架上，样品加热台位于铜铟镓合金预制层样品上方，样品托架下方设有坩埚和坩埚加热器，坩埚内装有所述硒颗粒，坩埚上方开口设有供硒蒸汽穿过的分流板，分流板位于铜铟镓合金预...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓清，汤勇，黄云翔，陆龙生，袁伟，万珍平，李宗涛，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：新型
国别省市：广东;44