一种制备铜铟镓硒吸收层的在线监测方法技术

本发明专利技术公开了一种制备铜铟镓硒吸收层的在线监测方法。在CIGS吸收层生长过程中，采用白炽灯始终照射衬底表面，通过光敏传感器检测来自于衬底表面的散射光强度的变化，可简单地、在线监测出CIGS薄膜表面结晶质量的变化，不受吸收层面积大小的限制，能够及时、准确地判断出薄膜成分由贫铜向富铜的转变点，间接地监测和控制CIGS吸收层沉积过程中的成分比例(Cu/(In+Ga))，制备出具有较高结晶质量的、均匀的CIGS吸收层，提高CIGS薄膜太阳电池的性能和成品率。本发明专利技术可在刚性或柔性衬底上制备CIGS吸收层，既可以应用于CIGS吸收层的实验室沉积工艺，也可用于大面积CIGS薄膜的制备。

On line monitoring method for preparing copper indium gallium selenium absorption layer

The invention discloses an on-line monitoring method for preparing copper indium gallium selenium absorption layer. In the CIGS absorption layer in the growth process, the incandescent lamp to illuminate the surface of the substrate, changes in scattering light intensity through the photosensitive sensor detection from the surface of the substrate, a simple online monitoring, change the surface quality of the CIGS films, the absorption layer size limit, can timely and accurately determine the composition of the film the transition point to poor copper copper rich, indirect monitoring and control of CIGS absorbing composition layer deposition process (Cu/ (In+Ga)), were prepared with high crystalline quality and uniform CIGS absorption layer, improve the CIGS thin film solar cell performance and the rate of finished products. The invention can be used for preparing the CIGS absorbing layer on the rigid or flexible substrate, which can be applied to the deposition process of the CIGS absorption layer, and can also be used for the preparation of large area CIGS thin films.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于铜铟镓硒薄膜太阳电池
，尤其是涉及一种制备铜铟镓硒吸收层的在线监测方法。
技术介绍
铜铟镓硒(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。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。此外，瑞士联邦技术学院(EMPA)采用共蒸发技术在塑料衬底上制备的CIGS薄膜太阳电池效率也超过了20％。CIGS薄膜电池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。目前，德国Manz公司和Solibto公司(被中国汉能收购)等实现了大面积CIGS薄膜电池组件的商业化生产，0.72m2组件的平均效率为13-14％。Manz公司开始向全球出售CIGS薄膜电池组件生产线。美国Ascentsolar公司实现了聚酰亚胺衬底CIGS薄膜电池组件的批产，组件平均效率为10％。美国Globalsolarenergy公司(被中国汉能收购)出售的不锈钢衬底柔性CIGS薄膜电池组件的效率为10-12％。虽然，商业化电池组件的生产线技术来源于实验室技术，但是大面积电池组件的光电转换效率与实验室制备的电池性能差距明显。提高大面积电池组件性能和成品率的关键在于制备高质量的铜铟镓硒(CIGS)吸收层薄膜。CIGS吸收层是太阳电池PN结中的P型层，承担着大多数光生载流子的输运和收集工作，该层薄膜的光电特性决定着铜铟镓硒薄膜太阳电池的有效输出功率。制备高质量铜铟镓硒吸收层的关键技术途径之一是通过在线监测的方法控制多元吸收层薄膜的成分比例以及均匀性，提高CIGS薄膜的结晶质量。研究发现，CIGS薄膜生长经历富铜过程可获得高结晶质量的薄膜。在实验室技术中，国外一些研究团队采用“EndPointDetector”的方法来监测CIGS薄膜的生长是否经历了富铜过程。其原理是当衬底温度超过523℃(根据Cu-Se相图得到的理论值)时，在富铜过程中形成一定量的CuxSe成液相，其热辐射能力比CIGS以及其他化合相更强。由于衬底采用恒温的控制模式，为了保持衬底温度，控制系统会自动提高加热功率，通过监测衬底加热功率的突变点，可准确判断CuxSe是否已经形成，从而监测薄膜是否经历富铜的生长过程。但是，当形成的CuxSe相过多，即Cu/(In+Ga)远大于1，得到的CIGS薄膜结晶质量和光电性质会衰退。因此，准确、及时地检测出薄膜从贫铜到富铜的转变点(即EndPoint)是控制薄膜成分比例和结晶质量的关键。然而，对于大面积CIGS薄膜制备，需要对衬底不同位置进行多点监测，各个监测点反馈的功率突变点不一致，难以准确判断出薄膜从贫铜到富铜的转变点。此外，大面积衬底的加热功率更高，且在恒温模式下可能有一定的微小波动，功率突变点不易被监测出来。当大量CuxSe形成时，虽然监测了出功率变化，但是不能获得高质量的CIGS薄膜。因此，该方法不适用于大面积CIGS薄膜沉积工艺。先前有专利(申请号：CN201110439279)提出了柔性衬底上卷对卷在线控制沉积吸收层的方法，通过温度传感器在线监测衬底温度的变化，以此判断CIGS吸收层表面是否形成了热辐射能力较强的液相硒化铜。专利(申请号：CN201110438704)提出了卷对卷沉积吸收层的装置，所述装置包含了在线监测衬底温度变化的传感器装置，并在衬底收卷端安装了X射线荧光光谱仪，检测CIGS薄膜的厚度和成分比例，以定量的形式实时修正温度传感器的监测结果。然而，单个温度传感器监测的范围是有限的，它只能准确的反应某个局部的温度变化，而硒化铜在薄膜表面形成的位置是随机的，对于沉积大面积CIGS薄膜，温度传感器监测难以准确、及时地判断出贫铜到富铜的转变点。即使监测出温度突变点，也难以获得具有均匀的、高结晶质量的CIGS薄膜。衬底收卷端安装的X射线荧光光谱仪只是辅助定量检测设备，可以准确给出薄膜成分比例和厚度，但具有一定的滞后性，不能在线地检测出薄膜生长过程中成分比例的变化，不能监测CIGS吸收层是否经历了合适的富铜生长过程。也有文献报道采用原子吸收谱在线检测吸收层薄膜成分比例，该方法只能检测很小范围内薄膜成分比例，同样不适用于大面积薄膜沉积，而且原子吸收谱装置的使用和维护成本较高，在大面积CIGS薄膜批产线上广泛应用是不现实的。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种制备铜铟镓硒吸收层的在线监测方法。在CIGS吸收层生长过程中，白炽灯始终照射衬底表面，通过光敏传感器检测来自于衬底表面的散射光强度的变化，可简单地、原位监测出CIGS薄膜表面结晶质量的变化，不受吸收层面积大小的限制，能够及时、准确地判断出薄膜成分由贫铜向富铜的转变点，间接地监测和控制CIGS吸收层沉积过程中的成分比例(Cu/(In+Ga))，制备出具有较高结晶质量的、均匀的CIGS吸收层，提高CIGS薄膜太阳电池的性能和成品率。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：在CIGS吸收层生长过程中的富铜阶段，在蒸镀源区域外设置一组白炽灯和一个光敏传感器，使白炽灯始终照射衬底表面，通过光敏传感器检测来自于衬底表面的散射光强度的变化，判断出薄膜成分由贫铜向富铜的转变点，使沉积的吸收层经历富铜的生长阶段。所述的制备铜铟镓硒吸收层的在线监测方法，通过光敏传感器检测衬底表面散射光强度变化突变增大到3倍以上，表明吸收层表面结晶质量发生显著变化，确定此时薄膜成分Cu/(In+Ga)大于1，达到了由贫铜向富铜转变的临界点。所述的制备铜铟镓硒吸收层的在线监测方法，所述一组白炽灯以恒功率方式供电，根据衬底的幅宽不同确定白炽灯数量，保证其辐射光覆盖整个幅宽范围。所述的制备铜铟镓硒吸收层的在线监测方法，所述衬底为刚性或柔性衬底。所述的制备铜铟镓硒吸收层的在线监测方法，所述制备铜铟镓硒吸收层采用连续蒸发工艺，制备大面积铜铟镓硒吸收层。所述的制备铜铟镓硒吸收层的在线监测方法，所述制备铜铟镓硒吸收层采用一步共蒸发工艺，制备小面积铜铟镓硒吸收层。本专利技术的有益效果是：不仅可以用于CIGS吸收层实验室沉积工艺，而且能够用于大面积CIGS吸收层沉积工艺，通过在线监测薄膜表面的散射光强度的变化，可准确、及时地确定薄膜成分由贫铜向富铜的转变点，间接地监测和控制CIGS吸收层沉积过程中的成分比例，制备出具有较高结晶质量的、均匀的CIGS吸收层，提高CIGS薄膜太阳电池的性能和成品率。附图说明图1是柔性衬底上卷对卷制备大面积CIGS薄膜的在线监测沉积装置图；图中：1-第一腔室；2-第二腔室始；3-第三腔室始；4-抽真空系统；5-真空阀门；6-放卷端滚轴；7-收卷端滚轴；8-柔性衬底；9-第一室对应衬底加热器；10-第二室对应衬底加热器；11-第一室Ga蒸发源；12-第一室Ga源加热器；13-第一室In蒸发源；14-第一室In源加热器；15-本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备铜铟镓硒吸收层的在线监测方法，其特征在于，在CIGS吸收层生长过程中的富铜阶段，在蒸镀源区域外设置一组白炽灯和一个光敏传感器，使白炽灯始终照射衬底表面，通过光敏传感器检测来自于衬底表面的散射光强度的变化，判断出薄膜成分由贫铜向富铜的转变点，使沉积的吸收层经历富铜的生长阶段。

【技术特征摘要】
1.一种制备铜铟镓硒吸收层的在线监测方法，其特征在于，在CIGS吸收
层生长过程中的富铜阶段，在蒸镀源区域外设置一组白炽灯和一个光敏传感
器，使白炽灯始终照射衬底表面，通过光敏传感器检测来自于衬底表面的散射
光强度的变化，判断出薄膜成分由贫铜向富铜的转变点，使沉积的吸收层经历
富铜的生长阶段。
2.根据权利要求1所述的制备铜铟镓硒吸收层的在线监测方法，其特征
在于，通过光敏传感器检测衬底表面散射光强度变化突变增大到3倍以上，表
明吸收层表面结晶质量发生显著变化，确定此时薄膜成分Cu/(In+Ga)大于1，
达到了由贫铜向富铜转变的临界点。
3.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：王赫，杨亦桐，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，
类型：发明
国别省市：天津;12