【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及化合物半导体薄膜器件的制备，更具体地说，涉及非真空低成本法制备铜铟 镓硒硫[Cu(In。.7, Ga。,3)Se2iSx简写为CIGS]薄膜太阳电池的硒化物前驱薄膜，并对其进行真空 快速硒硫化热处理后，直接、连续化地制备出薄膜太阳电池或光伏集成组件的方法。
技术介绍
太阳能电池发巾方式是可再生的能源技术，产生电能的过程中对环境影响最小。太阳能 发电技术要取得商业h的成功，必须使太阳能电池具有更高的效率、更低的成本、更好的耐 候性，并且不增加其它的环境问题。传统晶体硅太阳电池技术的发展得益于电子硅半导体材 料的不断技术进歩，制造它需要单晶硅卜.游材料中的多晶硅材料，晶体硅太阳能电池的经济 附加值并不高，是一种靠长期累积获取收益的产品，大规模地运用分流了硅半导体电子行业的材料来源，势必进一步加剧全球性资源性的短缺，促使其价格更加地昂贵；从另一方面来 说，今天的晶体硅太阳电池产品与技术还占据着统治地位，它基本能满足上述太阳电池技术 提及的多项要求，但却不能以低成本方式生产太阳电池，其在生产过程中硅材料的浪费高达 70%，并且还需要消耗大量的一次能源，势必...
【技术保护点】
一种非真空低成本法制备ＣＩＧＳ薄膜太阳电池的硒化物前驱薄膜与快速硒硫化热处理的方法，其特征在于，包括：（１）在刚性衬底基片的钼电极薄膜上顺序涂覆纳米硒化物涂料与干燥成膜，或顺序电镀（或电沉积）不同组份纳米微晶硒化物前驱薄膜，该硒化物前驱薄膜成份与构造分别是：（ＣｕＧａＳｅ↓［２］＋ＣｕＳｅ）、（Ｇａ↓［２］Ｓｅ↓［３］＋ＣｕＳｅ）、Ｉｎ↓［４］Ｓｅ↓［３］（或Ｉｎ↓［２］Ｓｅ↓［３］＋ＣｕＩｎＳｅ↓［２］）、ＣｕＳｅ［或（ＣｕＳｅ＋Ｇａ↓［２］Ｓｅ↓［３］）、（ＣｕＳｅ＋ＣｕＧａＳｅ↓［２］）］的顺序取舍式组合；（２）制备了该硒化物前驱薄膜的一摞刚性基片被放置于真空室内的气...
【技术特征摘要】
1. 一种非真空低成本法制备CIGS薄膜太阳电池的硒化物前驱薄膜与快速硒硫化热处理的方法，其特征在于，包括(1)在刚性衬底基片的钼电极薄膜上顺序涂覆纳米硒化物涂料与干燥成膜，或顺序电镀(或电沉积)不同组份纳米微晶硒化物前驱薄膜，该硒化物前驱薄膜成份与构造分别是(CuGaSe2+CuSe)、(Ga2Se3+CuSe)、In4Se3(或In2Se3+CuInSe2)、CuSe[或(CuSe+Ga2Se3)、(CuSe+CuGaSe2)]的顺序取舍式组合；(2)制备了该硒化物前驱薄膜的一摞刚性基片被放置于真空室内的气密空间中，通过从室温至290℃高真空加热、注入氢气，再抽至高真空与注入氢气的多次操作，最后再注入氩气+氢气的第一氢化预处理；(3)第二硒化处理，将该摞基片由上而下或由下而上地平行移动，分别一片片地推入另一相对的气密空间，先启动基片底部的加热，并向第二气密空间导入类H2Se气体，在保持足够的硒气压(20～80kPa)时，对移动中的基片进行上下快速加热或上部扫描式加热与底部随基片移动的固定方式加热与升温，基片本身始终保持在350℃～580℃，基片表层由于高功率辐射热源的移动式扫描加热，前驱硒化物薄膜会快速升温到350℃～1100℃，促使硒化物前驱薄膜中CuxSe/与In4Se3相受热快速融化(523℃液化)，辅助CIGS薄膜晶体液相反应生长和薄膜自身的致密化，大晶粒致密的CIGS薄膜生成后，其表层会渗出微量或吸附着多余液相CuxSe；(4)第三硒硫化处理，基片衬底在520℃～580℃适宜温度时，将基片运动转移至溅射位置，调节气密空间气压至0.3～25Pa，通过反应溅射In2Se3或In2S3中和反应掉基片表层多余的液相CuxSe，严格控制基片表面CIGS薄膜成份由富铜转变成贫铜结构过程中，反应溅射In2Se3或In2S3的量；(5)第四硒化处理，反应溅射结束后增大气密空间导入类H2Se气体量，使其环境硒气压达20～80kPa时，高功率辐射热源对基片进行更快速度的热扫描；(6)第五高温硫化处理，排空类H2Se气体后，重新注入反应溅射气体H2S+Ar，维持气压在0.3～25Pa，基片移动至溅射位置后进行反应溅射In2S3，In2S3在薄膜的表层生成n型Cu(In1-xGax)SSe或Cu(In1-yGay)3(Se1-xSx)5高阻层；在上述快速硒硫化热处理的操作过程中，第二气密空间交替充入类H2Se气体或H2S+Ar气体，其中间进行过高真空排气工序，气压有升有降；(7)将经过快速硒硫化热处理后的基片转移至第三气密冷却空间；这样，第一空间整摞基片在经过快速硒硫化处理后归入第三冷却空间，该空间注入有Ar+H2S混合气体，保证基片衬底逐渐由580℃下降至110℃过程中，CIGS薄膜材料内硒硫元素不流失；(8)降温后的基片分别被推入第四气密空间，进行金属靶反应溅射沉积薄膜电池的高阻本征In(OH，S)/ZnS(O，OH)/ZnO(S)缓冲层与i层，二或三对纯金属溅射靶的靶材与反应气体的搭配是In/(Ar、H2S与H2O)、Zn/(Ar、H2S与H2O)和Zn/(Ar、H2S与O2或CO2)，溅射过程中基片衬底的温度控制在110℃～350℃；溅射完成后气密空间被抽至高真空状态，启动高功率辐射热源快速扫描基片表面；(9)将反应溅射沉积了高阻缓冲层与i层后的基片分别归入第五冷却空间；基片冷却后就可转入下一激光加工处理或机械划线的电池集成组件的电极串联连接工序，或沉积低阻透明导电ZnO:Al薄膜工序。2. 根据权利要求1所叙述的非真空低成本法制备CIGS薄膜太阳电池的硒化物前驱薄膜 与快速硒硫化热处理制备薄膜太阳电池的方法，其硒化物前驱薄膜可以采用六种纳米微晶硒 化物涂料组合的顺序取舍来构成涂覆硒化物前驱薄膜材料的组成与各层结构，即在基片Mo 背电极薄膜上顺序涂覆与干燥制成硒化物前驱薄膜，其特征在于，硒化物前驱薄膜中存在富 硒的CuSe层湘)或/与贫硒的In4Se3层(相)，该低熔点CuSe或/与In4Se3的纳米硒化物材料在 硒化物前驱薄膜中所占体积比>30%;硒化物前驱膜中的Cu/(In+Ga)=1.01 1.3，优选 Ga/(Ga+In)=0. 15 0. 35， Se/M《l;硒化物前驱薄膜中表层的CuSe〉底部CuSe，最佳比1. l 1.5，靠近钼电极薄膜处不能够缺少CuSe;硒化物前驱薄膜中底部Ga元素〉表面Ga元素，最 佳比9. 0 10. 0，或Ga元素仅分布在靠近钼电极的薄膜处。3. 根据权利要求1所叙述的硒化物前驱薄膜与快速硒硫化热处理制备薄膜太阳电池的 方法，其电沉积硒化物前驱薄膜的构造特征在于可采用控制沉积电位的一歩顺序电沉积或 更换不同电解液成份的分步顺序电沉积来制备硒化物前驱薄膜，薄膜中存在独立的Cu2-xSe 相，允许电沉积硒化物前驱薄膜中直接沉积一定量的四元CuInGaSe2微晶颗粒，电沉积薄膜中 Cu/(In+Ga)=1.01 1.3，优选Ga/(Ga+In) =0. 15 0. 35， Se/M《l;电沉积硒化物前驱薄膜中 表层012—xSe〉底部CUhSe，最佳比1. 1 1. 5，靠近钼电极薄膜处不应该缺少Cu2-xSe，低熔点 Cu2.xSe所占硒化物前驱薄膜的体积比>20%。4. 根据权利要求1所叙述的非真空低成本法制备CIGS薄膜太阳电池的硒化物前驱薄膜 与快速硒硫化热处理制备薄膜太阳电池的方法，其特征在于，快速硒硫化热处理工艺均在真 空室内的气密空间中进行，它加设有遮断类H2Se气体或Ar+H2S气体供给的阀门，可进行气 密空间内真空排气的操作工序。5. 根据权利要求1所叙述的非真空低成本法制备CIGS薄膜太阳电池的硒化物前驱薄膜与快速硒硫化热处理制备薄膜太阳电池的方法，其特征在于，硒化热处理使用的类H2Se气体成份的组成为(30% 50%)Ar+(25% 35%)H2+(15% 45%)H2Se;反应溅射In2Se3的溅射气体是氩气，反应气体是H2Se或类H2Se气体；反应溅射In2S3的溅射气体是氩气，反应气体是H2S气体；硒化物前驱薄膜和完全转变成致密的大晶粒、略微贫铜结构CIGS薄膜开始闪速热处理时，其气密空间环境内的硒气压维持在20 80kPa，但是热处理CIGS薄膜电池的缓冲层与i层时，却处在高真空环境中进行。6. 根据权利要求1所叙述的非真空低成本法制备CIGS薄膜太阳电池的硒化物前驱薄膜 与快速硒硫化热处理制备薄膜太阳电池的方法，硒化物前驱薄膜均为富铜结构，薄膜中铜含 量的大小均不能被精确地控制，需要快速硒硫化热处理来精确地调整薄膜中最终的铜含量， 使它适合于制备高效率CIGS薄膜电池半导体器件的要求，其吸收层中铜含量应该严格控制 的范围为20%~24.0%。其特征在于，硒化物前驱薄膜经过快速加热后的表层会渗出或吸附着 微量液相CuxSe，基片衬底温度维持在52(TC 58(TC，底部的加热处于恒功率控制状态时， 通过反应溅射沉积In2Se3或In2S3与薄膜表层液相CuxSe中和反应的方法来控制薄膜成份中的 铜含量；严格监控基片薄膜表面液相CuxSe被中和反应掉或薄膜成份中铜含量下降越过CIGS 半导体材料特征的理论铜含量24.5%时，以恒功率加热条件下基片硒化物薄膜的底部测试温 度值出现明显的突变为标识，精确地决定着通过热处理与溅射沉积In2Se3或In2S3使硒化物前 驱薄膜完全转变成略为贫铜结构的CIGS吸收层薄膜材料...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙国忠，敖建平，杨小锋，周志强，张超，何青，刘新路，李宝璋，
申请(专利权)人：南开大学，孙国忠，敖建平，
类型：发明
国别省市：12[中国|天津]
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