用于使用CIGS纳米粒子在基板上制备CIGS吸收层的方法包括一个或多个退火步骤，所述退火步骤包括加热一个或多个CIGS纳米粒子膜以将膜干燥并且可以将CIGS纳米粒子熔合在一起以形成CIGS晶体。通常，至少最终退火步骤将会引起粒子熔合以形成CIGS晶体。已经发现反应性气体退火有助于所得CIGS吸收层中较大颗粒的生长并且引起那些层的提高的光伏性能。怀疑CIGS纳米粒子中碳的存在妨碍了晶粒生长并且限制了在退火时可以在CIGS膜中得到的晶体的尺寸。已经发现将CIGS纳米粒子膜暴露于含有硫的反应性气氛可以降低膜中碳的量，引起在退火时较大CIGS晶体的生长。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用：本申请要求2014年1月31日提交的美国临时申请号61/934,495的权益关于联邦资助的研究或开发的陈述：不适用专利技术背景1.专利
本专利技术总体上涉及薄膜光伏器件。更具体地，其涉及基于二硒化/二硫化铜铟镓(CIGS)的薄膜光伏器件。2.包括根据37 CFR 1.97和1.98公开的信息的相关领域的描述。光伏电池提供了由化石燃料产生的能量的最有前景的替代方案之一。为了实现商业可行性，光伏电池必须使用低成本材料廉价地制造并且在阳光到电的转换中展现出适中至高的效率。此外，为了使制造器件的方法商业上成功，用于合成材料的方法必须是可规模化的。在当今光伏器件中使用的最常见的材料是硅。然而，硅是非柔性的、昂贵的、和相对差的光吸收剂。因此，已经提出许多薄膜块体半导体材料作为硅的潜在替代品，例如，碲化镉、硫化(硒化)铜铟镓、和非晶硅。在这些中，硫化(硒化)铜铟镓(CuXInYGazSASeB)，一般也称为CIGS，普遍被认为是硅的有前景的替代品，其作为光伏器件中的光活性吸收剂。目前，大多数用于制造CIGS的技术涉及高真空技术如蒸镀或溅射。这些技术对于高产量操作来说是不理想的，因为它们涉及高真空室，它们在尺寸方面受限并且难以以高产量方式实施。作为结果，难以使用那些技术在大的和/或奇特形状的基板上制造CIGS膜。用于制备薄CIGS层的一个有前景的备选方法是通过纳米粒子烧结。该技术涉及由CIGS前体材料的纳米粒子制备溶液或墨并且使用多种成膜技术中的一种在基板沉积多个墨层。之后将沉积的层退火以从膜中移除溶剂和其他墨组分并且将纳米粒子熔合在一起以得到CIGS半导体层。CIGS墨的纳米粒子组分包含CIGS前体——铜、铟和/或镓、以及硫和/或硒的纳米粒子。纳米粒子可以在单个纳米粒子中包含一种或多种组分。例如，纳米粒子包含Cu、In、和Se以提供CuInSe2层。备选地，墨可以含有多种不同类型的纳米粒子，其合并以提供所需组分。例如，墨可以含有Cu和In的纳米粒子以及Cu和Se的其他纳米粒子，其当合并时提供CuInSe2。对于要用作光伏薄膜的起始材料的CIGS纳米粒子来说，它们应当拥有许多性质。首先，纳米粒子必须小——理想的是直径约数纳米至数百纳米。这样的小粒子紧密地封装在一起，使得它们在熔化时更容易聚结。其次，窄尺寸分布有利于确保全部纳米粒子在近似相同的温度熔化，从而确保所得薄膜是均匀的并且是高质量的。第三，优选的是，用挥发性有机封端剂将纳米粒子封端。通常需要这样的封端剂以帮助将纳米粒子溶解在用于将纳米粒子沉积在基板上的有机溶液中。优选的是，封端配体是高度挥发性的，从而当将膜退火时可以将它们有效地移除。最后，纳米粒子的熔化温度应当低于相应的块体材料，以允许使用较低的处理温度。目前存在许多技术用于制备CIGS纳米粒子。可以使用胶体法、溶剂热法、超声化学法和块体硒化铜的球磨来制备纳米粒子。可以利用使用任何方法制备的CIGS纳米粒子实施在本文中所公开的方法。然而，胶体法特别有前景的。胶体法通常涉及高温(>250℃)合成以形成用三辛基氧化膦(TOPO)或胺封端的纳米粒子，如“热注入”技术。热注入依赖于在高温下小体积前体向大体积溶剂中的注入。高温导致前体的分解，引起纳米粒子的成核。随后降低反应混合物的温度以在用合适有机溶剂猝灭之前在某一时间段内支持纳米粒子生长。在美国专利公布号2009/0139574A1和美国专利号8,563,348中公开了胶体纳米粒子合成的其他方法。一旦制备并分离纳米粒子，即可以将它们配制为墨，其可以涂覆至基板以形成膜。这样的墨通常是纳米粒子在有机溶剂，如甲苯、异佛尔酮、丙醇等中的溶液或悬浮液。在纳米粒子上的表面结合的配体有助于纳米粒子在墨中的分散/悬浮并且防止纳米粒子凝聚。墨还可以含有额外组分，如防腐剂、流动或粘度增强剂等。可以使用多种成膜技术，如印刷或喷雾方法、旋转涂布、刮刀涂布等在基板上形成CIGS墨的膜。一旦形成，通常将膜加热以排出膜的有机组分并且将纳米粒子烧结，得到CIGS半导体层。已经观察到，从膜中移除有机组分对于得到高性能CIGS半导体层来说是重要的。据信烧结过程期间膜中有机组分的存在限制了半导体颗粒的生长。较小的颗粒增加了所得半导体层内晶界的数量并且对膜的性能具有不利影响。因此，在本领域中存在对在烧结期间移除CIGS膜的有机组分的改进的方法和系统的需求。专利技术概述本专利技术提供用于通过将CIGS纳米粒子前体的膜沉积和退火来制备光伏器件的CIGS吸收层的系统和方法。所公开的方法的优点是，它们引起碳组分从膜中增强的移除并且提供更好的器件性能。所公开的方法涉及将沉积的CIGS纳米粒子膜在反应性H2S气氛和/或在含有H2S和H2Se的混合物的气氛中退火。根据本专利技术的第一方面，提供一种用于制备含有硫化(硒化)铜铟镓[CIGS]纳米粒子的膜的方法，所述方法包括：将CIGS前体的溶液或悬浮液沉积在基板上以形成膜；将膜在反应性含硫气氛中退火。所述反应性含硫气氛可以包含硫化氢气体(H2S)。所述反应性含硫气氛还可以包含硒。所述硒可以是硒化氢气体(H2Se)的形式。所述CIGS前体可以包含铜、铟和/或镓、以及硫和/或硒。所述基板可以包含玻璃。所述玻璃可以是涂有钼的玻璃。所述退火可以在高于约200℃的温度下进行。所述退火温度可以在所述退火过程期间变化。可以以选择的变化速率将所述退火温度从第一温度改变至第二温度。所述方法还可以包括将所述退火温度维持在所述第二温度历时选择的时间段，并且之后将所述退火温度改变至第三温度。所述含硫气氛可以是静态的。所述含硫气氛可以是动态的。所述退火的所述时间和温度可以足以引起粒子熔合以形成CIGS晶体。所述方法还可以包括在所述在反应性含硫气氛中退火之后将所述膜在含硒气氛中退火。所述退火可以在管式炉中进行。所述基板可以是聚合物并且所述退火温度可以低于约500℃。所述基板可以是聚合物并且所述退火温度可以低于约460℃。所述方法还可以包括额外的沉积和退火步骤以形成多层膜。在所述多层膜中的铟与镓的比率可以作为所述膜内的深度的函数而变化。附图的多个视图的简述图1是将CIGS纳米粒子的膜沉积和退火以提供CIGS半导体层的方法的示意图。图2是通过沉积CIGS纳米粒子并且将膜在H2S气氛中退火制备的光伏器件的I-V曲线。图3是通过沉积CIGS纳米粒子并且将膜在H2S和H2Se气氛中退火制备的光伏器件的I-V曲线。图4示出了用于生成图2和3的I-V曲线的器件的CIGS层的XRD光谱。图5是用于生成图3的I-V曲线的器件的CIGS层的SEM图像。专利技术详述如在本文中所使用的，术语CIGS是指含有第11族、第13族和第16族元素的材料。通常，CIGS材料具有式Cu(In,Ga)(S,Se)2。注意，化学计量可以变化。还注意，即使不存在Ga，“CIGS”也可以是指这样的材料，例如，CuInS2。如在本文中所使用的，术语CIGS纳米粒子墨是指含有提供CIGS材料的组分的纳米粒子的墨。图1示意性地图示了使用CIGS纳米粒子在基板101上制备CIGS吸收层的一般方法100制备。本领域技术人员将会理解，可以使用许多类型的基板制造光伏电池。如本领域中已知的，基板的一个实例是涂有钼的玻本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于制备含有硫化(硒化)铜铟镓[CIGS]纳米粒子的膜的方法，所述方法包括：将CIGS前体的溶液或悬浮液沉积在基板上以形成膜；将膜在反应性含硫气氛中退火。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.01.31 US 61/934,4951.一种用于制备含有硫化(硒化)铜铟镓[CIGS]纳米粒子的膜的方法，所述方法包括：将CIGS前体的溶液或悬浮液沉积在基板上以形成膜；将膜在反应性含硫气氛中退火。2.权利要求1中所述的方法，其中所述反应性含硫气氛包含硫化氢气体(H2S)。3.权利要求1中所述的方法，其中所述反应性含硫气氛还包含硒。4.权利要求3中所述的方法，其中所述硒是硒化氢气体(H2Se)的形式。5.权利要求1中所述的方法，其中所述CIGS前体包含铜、铟和/或镓、以及硫和/或硒。6.权利要求1中所述的方法，其中所述基板包含玻璃。7.权利要求6中所述的方法，其中所述玻璃是涂有钼的玻璃。8.权利要求1中所述的方法，其中所述退火在高于约200℃的温度进行。9.权利要求1中所述的方法，其中退火温度在退火过程期间变化。10.权利要求9中所述的方法，其中以选择的变化速率将所述退火温度从第...
【专利技术属性】
技术研发人员：保罗·柯卡姆，卡里亚·艾伦，斯蒂芬·怀特莱格，
申请(专利权)人：纳米技术有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。