一种双梯度带隙CIGS太阳能电池的叠层吸收层的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种双梯度带隙CIGS太阳能电池的叠层吸收层的制备方法，该方法包括以下步骤：(1)在电极上，使用四元Cu‑In‑Ga‑Se靶材制得薄膜吸收层底层，该靶材的摩尔比例为：Se/(Cu+In+Ga)＝1.00～1.30；(2)在吸收层底层上，使用四元Cu‑In‑Ga‑Se靶材制得薄膜吸收层表层，该靶材的摩尔比例为：Se/(Cu+In+Ga)＝0.75～0.99。本发明专利技术采用了预制膜硒化工艺，通过对两个不同硒摩尔比例的靶材进行溅射，然后通过高温硒化退火工艺，底层富硒促进晶体生长和实现高短流密度；表层贫硒解决了表层带隙宽度低的问题，实现了双梯度带隙，高开路电压和高填充因子以及高效率电池。

A preparation method of double gradient band gap layers for CIGS solar cells

【技术实现步骤摘要】
一种双梯度带隙CIGS太阳能电池的叠层吸收层的制备方法
本专利技术涉及CIGS薄膜太阳能电池材料的制备技术，特别是一种双梯度带隙CIGS太阳能电池的叠层吸收层的制备方法。
技术介绍
目前产业化应用的铜铟镓硒薄膜太阳电池吸收层制备的主流方法有两种。分别是三步共蒸发法和预制膜硒化退火工艺。第一种是三步共蒸发法工艺，即保持较高基底温度下，在钼薄膜上同时蒸镀铜、铟、镓、硒四种元素，该方法的优点是利用三步工艺可以控制Ga元素在吸收层中的带隙分布，保证CIGS薄膜太阳电池的IV性能，但是该工艺过程极为复杂，而且制备过程中成分极易挥发，特别是In和Se挥发严重，造成四元成分控制困难，很容易造成吸收层成分与理想设计成分不符，因此其工艺均匀性和稳定性均很差，特别是大面积组件(面积大于0.5m2)时良品率急剧下降。第二种是预制膜硒化退火工艺，首先使用铜铟镓硒四元合金靶材溅射成膜，其次采用Se单质加热挥发成气体或者H2Se气体对该膜进行退火，该方法的优点是工艺相对简单，四元成分控制容易，成分均匀性和工艺稳定性好，但是由于高温退火时In与Se结合能较低，Ga与Se结合能较高，发生Se化学反应时从吸收层表面逐步到吸收层内部，因此在表面极易生成CuInSe2,造成表层Ga极易向背电极扩散，因此表面Ga含量急剧下降，将会导致表面带隙宽度降低，无法形成双梯度带隙，影响表面复合和造成开路电压下降，最终将会影响整体电池效率。虽然现有技术中分别采用低Ga摩尔比例靶材进行底层溅射和高Ga摩尔比例靶材进行表层溅射，然后进行硒化工艺，但是仍存在表面极易生成CuInSe2的问题，造成表层Ga极易向背电极扩散，表层Ga含量急剧下降，无法形成双梯度带隙，也就无法形成高效率电池。
技术实现思路
针对上述存在问题，本专利技术采用了预制膜硒化退火工艺(溅射成膜后进行硒化退火)，主要目的可以提高Ga在吸收层表层的含量，进而实现Ga在吸收层中的双梯度带隙分布且四元成分可控制的CIGS薄膜太阳电池，实现高开路电压和高填充因子以及高效率电池。底层吸收层薄膜选取四元Cu-In-Ga-Se靶材进行溅射，其特点是Se摩尔比例较高：Se/(Cu+In+Ga)＝1.00～1.30；其次吸收层表层薄膜选取四元Cu-In-Ga-Se靶材进行溅射，其特点是Se摩尔比例较低：Se/(Cu+In+Ga)＝0.75～0.99。通过两种靶材溅射叠加对CIGS吸收层进行改性。通过高温退火工艺，底层Se摩尔比例高有利于促进晶体生长，晶粒大小可以达到几百nm，好的结晶质量将会降低电子和空穴比例的复合，提高其短路电流密度；表层低Se可以抑制表层CuInSe2相生成，此消彼长，表层CuGaSe2相将会增加，进而提高表层Ga含量，提高表面带隙宽度，进而形成双梯度带隙，提高开路电压、填充因子以及提高电池效率。而且预制膜硒化退火工艺简单，四元成分控制容易，因此其成分均匀性和工艺稳定性比三步共蒸发好，可以保证大面积组件(面积大于0.5m2)的效率和良品率。本专利技术的技术方案如下：第一方面，本专利技术提供了一种双梯度带隙CIGS太阳能电池的叠层吸收层的制备方法，该方法包括以下步骤：(1)在电极上，使用四元Cu-In-Ga-Se靶材溅射得到薄膜吸收层底层，该靶材的摩尔比例为：Se/(Cu+In+Ga)＝1.00～1.30；(2)在吸收层底层上，使用四元Cu-In-Ga-Se靶材溅射得到薄膜吸收层表层，该靶材的摩尔比例为：Se/(Cu+In+Ga)＝0.75～0.99。进一步的，步骤(1)中，所述靶材的摩尔比例分别为：Cu/(In+Ga)＝0.75～1.10，Ga/(In+Ga)＝0.00～0.60，对腔室抽真空，当真空度达到本底真空2*10-3Pa,对靶材进行溅射，溅射温度为15-220℃，溅射功率为50-1200W，通入Ar流量为5～1500sccm，溅射气压为0.1-100Pa，得到的薄膜吸收层底层厚度为0.2～3.0μm。进一步的，步骤(2)中，所述靶材的摩尔比例分别为：Cu/(In+Ga)＝0.75～1.10，Ga/(In+Ga)＝0.00～0.60，对腔室抽真空，当真空度达到本底真空2*10-3Pa,对靶材进行溅射，溅射温度为15-220℃，溅射功率为50-1200W，通入Ar流量为5～1500sccm，溅射气压为0.1-100Pa，得到的薄膜吸收层表层厚度为0.1～3.0μm。进一步的，在电极下层依次为阻挡层、普通钠钙玻璃衬底。进一步的，电极厚度为400～1500nm，阻挡层厚度为30～200nm。进一步的，在溅射吸收层表层工艺后，还包括高温退火的步骤。进一步的，高温退火的具体操作为：对真空退火炉抽真空，当真空度达到本底真空5*10-3Pa，对吸收层薄膜进行加热，当工艺温度为450～600℃时，通入Ar+H2Se混合气体，压强达到10000～90000Pa,其流量为100～1000sccm，其中摩尔比例为：H2Se/(Ar+H2Se)＝0.01～0.25，硒化退火时间5～60mins，冷却至室温。第二方面，本专利技术还提供了一种所述的制备方法制得的叠层吸收层。第三方面，本专利技术还提供了一种包含所述的叠层吸收层的双梯度带隙CIGS太阳能电池。进一步的，所述太阳能电池还包含依次设置于所述叠层吸收层上层的缓冲层、窗口层、透明导电层和顶电极。进一步的，所述太阳能电池的效率达到18.6～21.2％。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术采用了预制膜硒化工艺，通过对两个不同硒摩尔比例的靶材进行溅射，通过两种靶材溅射叠加对CIGS吸收层进行改性。然后通过高温退火工艺，底层Se摩尔比例高有利于促进晶体生长，晶粒大小可以达到几百nm，好的结晶质量将会降低电子和空穴比例的复合，提高其短路电流密度：38.6(mA/cm2)；表层低Se摩尔比例可以抑制表层CuInSe2相生成，此消彼长，表层CuGaSe2相将会增加，进而提高表层Ga含量，提高表面带隙宽度，解决了预制膜硒化工艺中实现双梯度带隙的重大难题，实现了高开路电压：682mV，高填充因子：82.2％以及高效率电池：21.2％。(2)本专利技术采用了预制膜硒化工艺，不仅可以避开三步共蒸发工艺复杂和三步共蒸发工艺中四元成分控制相对困难的缺点；而且具有预制膜硒化工艺的四元成分控制容易、工艺稳定性好，得到电池均匀性好的优势，为实现大面积组件(面积大于0.5m2)商业化迈出了坚实的一步。附图说明图1是本专利技术制得的吸收层扫描电镜表面形貌；图2是本专利技术制得的吸收层扫描电镜截面形貌；图3是本专利技术制得的CIGS吸收层的镓元素“V”字梯度分布。具体实施方式实施例1：一种双梯度带隙CIGS太阳能电池的叠层吸收层的制备方法，步骤如下：(1)在玻璃衬底上首先溅射100nm厚的SiO2阻挡层。(2)在SiO2阻挡层上面，溅射800nm厚的金属Mo，Mo是CIGS薄膜电池的底电极。...

【技术保护点】
1.一种双梯度带隙CIGS太阳能电池的叠层吸收层的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：/n(1)在电极上，使用四元Cu-In-Ga-Se靶材制得薄膜吸收层底层，该靶材的摩尔比例为：Se/(Cu+In+Ga)＝1.00～1.30；/n(2)在吸收层底层上，使用四元Cu-In-Ga-Se靶材制得薄膜吸收层表层，该靶材的摩尔比例为：Se/(Cu+In+Ga)＝0.75～0.99。/n

【技术特征摘要】
1.一种双梯度带隙CIGS太阳能电池的叠层吸收层的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)在电极上，使用四元Cu-In-Ga-Se靶材制得薄膜吸收层底层，该靶材的摩尔比例为：Se/(Cu+In+Ga)＝1.00～1.30；
(2)在吸收层底层上，使用四元Cu-In-Ga-Se靶材制得薄膜吸收层表层，该靶材的摩尔比例为：Se/(Cu+In+Ga)＝0.75～0.99。


2.根据权利要求1所述的双梯度带隙CIGS太阳能电池叠层吸收层的制备方法，其特征在于：
步骤(1)中，所述靶材的摩尔比例分别为：Cu/(In+Ga)＝0.75～1.10，Ga/(In+Ga)＝0.00～0.60，对腔室抽真空，当真空度达到本底真空2*10-3Pa,对靶材进行溅射，溅射温度为15-220℃，溅射功率为50-1200W，通入Ar流量为5～1500sccm，溅射气压为0.1-100Pa；得到的薄膜吸收层底层厚度为0.2～3.0μm。


3.根据权利要求1所述的双梯度带隙CIGS太阳能电池叠层吸收层的制备方法，其特征在于：
步骤(2)中，所述靶材的摩尔比例分别为：Cu/(In+Ga)＝0.75～1.10，Ga/(In+Ga)＝0.00～0.60，溅射前抽真空，当真空度达到本底真空2*10-3Pa,对靶材进行溅射，溅射温度为15-220℃，溅射功率为50-1200W，通入Ar流量为5～1500sccm，溅射气压为0.1-100P...

【专利技术属性】
技术研发人员：王鹏，张亚飞，张伟，
申请(专利权)人：光之科技发展昆山有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32