一种实现柔性衬底高效铜铟镓硒薄膜太阳电池的方法，采用高温裂解硒蒸发源，提高硒原子在薄膜表面迁移速率和反应活性，从而提高薄膜的质量，实现在柔性衬底之上生长高结晶质量的铜铟镓硒薄膜材料，获得高效铜铟镓硒化合物薄膜太阳电池。本发明专利技术的有益之处在于有效解决了在柔性衬底之上低温生长高质量铜铟镓硒薄膜的问题，促进柔性衬底铜铟镓硒薄膜太阳电池的工业化应用。
A method for realizing flexible substrate high efficiency Cu indium gallium selenide thin film solar cell
A method of realizing high-efficiency copper-indium-gallium-selenium thin film solar cells on flexible substrates is presented. High-temperature pyrolysis selenium evaporation source is used to improve the migration rate and reaction activity of selenium atoms on the surface of the thin films, thereby improving the quality of the thin films, achieving the growth of high-crystalline quality copper-indium-gallium-selenium thin films on flexible substrates and obtaining high-efficiency copper- Compound thin film solar cells. The invention has the advantages of effectively solving the problem of low-temperature growth of high-quality copper-in-gallium-selenium thin films on flexible substrates, and promoting the industrial application of copper-in-gallium-selenium thin film solar cells on flexible substrates.
【技术实现步骤摘要】
一种实现柔性衬底高效铜铟镓硒薄膜太阳电池的方法
本专利技术属于薄膜太阳电池领域，尤其是一种低温生长铜铟镓硒薄膜太阳电池。
技术介绍
航空、航天领域需要太阳电池有较高的重量比功率（W/Kg），即希望单位重量的太阳电池能发出更多的电量，在平流层飞艇、通讯卫星、无人飞机等方面需求迫切。而对地面光伏建筑物的曲面造型和移动式的光伏充电装置（军用：单兵作战）等要求太阳电池具有轻质柔性、可折叠性和不怕摔碰，对柔性衬底太阳电池需求很大。所谓柔性电池是以金属箔或高分子聚合物等材料作为衬底的太阳电池。一般说来，所有薄膜太阳电池都可以做成柔性的。与其他类型柔性薄膜太阳电池相比，柔性铜铟镓硒【Cu(InxGa1-x)Se2简称CIGS】薄膜电池具有以下优异性能：1）高的重量比功率(W/Kg)，在空间应用太阳电池领域，具有最高的重量比功率和最低的成本；2）耐高能电子和质子辐照的能力强，参考文献，A.Jasenek,U.Rau.DefectgenerationinCu(In,Ga)Se2heterojunctionsolarcellsbyhigh-energyelectronandprotonirradiation.J.APPLPHYS,90(2001)650-658；3）稳定性好，长期使用，性能不衰减，参考文献：R.R.Gay,Prerequisitestomanufacturingthin-filmphotovoltaics,ProgressinPhotovolatics:ResearchandApplications,5(1997):337-343；4）适合大规模生产的卷－卷（roll-to-roll）工艺；5）适合单片集成。与传统玻璃衬底相比，聚合物及不锈钢柔性衬底更轻，更适合制备高重量比功率和便于携带的柔性电池组件。但与传统的玻璃衬底相比，柔性衬底存在耐受温度低的问题，因此低温生长工艺成为制备高效率柔性衬底CIGS薄膜电池的关键技术之一。这是由于在低温生长过程中，CIGS薄膜的组成原子不能从低温衬底中吸收足够的能量，降低了蒸发原子在薄膜表面迁移速率和成核的几率，导致晶粒尺寸小，缺陷多，形成大量的结构缺陷和电学复合中心并最终影响太阳电池的性能。因此，在低温沉积过程中，采用有效的沉积技术，提高CIGS低温成膜质量及最终器件性能的研究是非常必要的。其中Se元素的含量对CIGS薄膜性能至关重要，从结构特性上讲，缺Se的CIGS薄膜结晶质量差，晶粒细碎。从电学特性上讲，缺Se的CIGS薄膜存在着Se空位缺陷VSe，VSe在p型的CIGS薄膜中形成浅施主缺陷，严重影响CIGS薄膜的光电性能。在低温生长CIGS薄膜过程中，由于衬底温度低，Se的活性不足，扩散不充分，极易产生Se空位，因此提高Se的活性是低温沉积高质量CIGS薄膜的关键。目前国际上主要存在以下两类制备技术，用以提高薄膜沉积过程中的Se活性，进而提高CIGS薄膜材料中的Se含量：1.等离子体辅助硒化技术在CIGS薄膜太阳电池的制备工艺中，等离子体技术可用于对大原子团的Se进行裂解。在后硒化工艺（先沉积Cu-In-Ga金属预制层，再进行硒化反应，形成CIGS薄膜）中可用作生成H2Se的辅助手段。1993年，日本的一项专利首次提出在后硒化制备CIGS薄膜的工艺中加入等离子体辅助硒化，即Se蒸汽和H2气通入衬底表面的等离子场，然后进行硒化反应，参考文献：I.Takuro.ManufactureofThinFilmSolarBattery.JapanesePatent.1993-05-03。这种工艺的目的是避免直接使用有毒气体H2Se带来的安全问题，同时避免使用固态硒源时Se活性不足造成薄膜性能衰退。2.射频等离子体活化硒源日本国家先进工业科技研究所（AIST）使用射频等离子体裂解共蒸发设备中的Se蒸发源。研究发现，射频等离子体裂解Se源制备的CIGS薄膜与传统Se蒸发源相比，薄膜表面更致密、更平滑，且晶粒尺寸更大。原因是等离子体促进了大原子团Sen（n≥5）的分解，提高了Se元素的活性和蒸发原子在薄膜表面的迁移速率，促进了薄膜的二维生长，减少了薄膜中的缺陷密度，参考文献：S.Ishizuka,H.Shibata,A.Yamadaetal,GrowthofpolycrystallineCu(In,Ga)Se2thinfilmsusingaradiofrequency-crackedSe-radicalbeamsourceandapplicationforphotovoltaicdevices,AppliedPhysicsLetters,91(2007)041902;S.Ishizuka,A.Yamada,H.Shibataetal,LargegrainCu(In,Ga)Se2thinfilmgrowthusingaSe-radicalbeamsource,SolarEnergyMaterialsandSolarCells,93(2009)792-796.以上技术虽有效提升了Se在沉积过程中的活性，但等离子体加强、射频加强蒸发源等技术，都需在真空室内通入Ar或H2气。通入气体会影响薄膜生长真空度且等离子体和射频辉光会损伤薄膜表面，降低薄膜的质量。高温裂解Se蒸发源工作过程中不需通入其他气体，直接在高真空下高温裂解Se大原子团，提高蒸发原子的活性，提高Se材料的利用率，已被应用于II-VI族化合物半导体ZnSe的制备。3M公司的H.Cheng等人利用600℃高温裂解的Se束流，在150℃较低的衬底温度下制备得到高质量的ZnSe薄膜。通过四极透镜分析仪的观察，在600℃高温裂解下，Sen（n＞2）几乎全部转化为Se2甚至Se，这为低温生长高质量CIGS薄膜带来了启示。参考文献：D.A.Cammack,K.ShahzadandT.Marshall,Low-temperaturegrowthofZnSebymolecularbeamepitaxyusingcrackedselenium,AppliedPhysicsLetters,1989,56:845-847.基于此，本专利技术公开了一种实现柔性衬底高效铜铟镓硒薄膜太阳电池的方法，采用高温裂解硒蒸发源，提高硒原子在薄膜表面迁移速率和反应活性，从而提高薄膜的质量，实现在柔性衬底之上生长高结晶质量的铜铟镓硒薄膜材料，获得高效铜铟镓硒化合物薄膜太阳电池。本专利技术的有益之处在于有效解决了在柔性衬底之上低温生长高质量铜铟镓硒薄膜的问题，促进柔性衬底铜铟镓硒薄膜太阳电池的工业化应用。
技术实现思路
本专利技术目的旨在为克服现有技术的不足，提供一种进一步提升柔性衬底上铜铟镓硒化合物半导体薄膜太阳电池性能的方法，该方法可有效提高低衬底温度条件下，柔性衬底之上生长的铜铟镓硒薄膜的晶粒尺寸，以达到提高光电转化效率的效果，促进柔性衬底铜铟镓硒薄膜太阳电池的工业化应用。本专利技术的技术方案：一种实现柔性衬底高效铜铟镓硒薄膜太阳电池的方法，包括在CIGS吸收层沉积过程中引入高温裂解硒蒸发源，以提高提高硒原子在薄膜表面迁移速率和反应活性。所述高温裂解硒蒸发源包括：第一部分，坩埚加热蒸发部分，通过加热坩埚中的硒原料，产生S蒸汽原子团；第二部分，硒原子团的高温裂解部分，在通电本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种实现柔性衬底高效铜铟镓硒薄膜太阳电池的方法，包括在CIGS吸收层沉积过程中引入高温裂解硒蒸发源，以提高提高硒原子在薄膜表面迁移速率和反应活性。所述高温裂解硒蒸发源包括：第一部分，坩埚加热蒸发部分，通过加热坩埚中的硒原料，产生S蒸汽原子团；第二部分，硒原子团的高温裂解部分，在通电情况下产生高温（400‑1000℃），从坩埚蒸发的Se大原子团通过高温裂解装置时，被高温裂解成Se的小分子和原子，高温裂解后的Se小分子和原子到达衬底，与Cu、In、Ga 金属化合形成 CIGS 薄膜；第三部分，高温裂解硒蒸发源控制电路，一方面通过PID系统和热电偶控制Se坩埚加热的温度，另一方面通过PID系统和热电偶控制流过灯丝电流和灯丝加热温度，进而控制高温裂解装置的裂解温度。
【技术特征摘要】
1.一种实现柔性衬底高效铜铟镓硒薄膜太阳电池的方法，包括在CIGS吸收层沉积过程中引入高温裂解硒蒸发源，以提高提高硒原子在薄膜表面迁移速率和反应活性。所述高温裂解硒蒸发源包括：第一部分，坩埚加热蒸发部分，通过加热坩埚中的硒原料，产生S蒸汽原子团；第二部分，硒原子团的高温裂解部分，在通电情况下产生高温（400-1000℃），从坩埚蒸发的Se大原子团通过高温裂解装置时，被高温裂解成Se的小分子和原子，高温裂解后的Se小分子和原子到达衬底，与Cu、In、Ga金属化合形成CIGS薄膜；第三部分，高温裂解硒蒸发源控制电路，一方面通过PID系统和热电偶控制Se坩埚加热的温度，另一方面通过P...
【专利技术属性】
技术研发人员：张力，黄茜，安世崇，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：天津,12
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