一种太阳能电池光吸收层薄膜的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种太阳能电池光吸收层薄膜的制备方法，其中铜铟镓硒层采用物理气相沉积工艺制备，用红外热辐射加热并控制衬底温度，提高了成膜均匀性，同时控制蒸发工艺，使铜铟镓硒表层生成富铟相；另外本发明专利技术还采用硫化的方法在铜铟镓硒表层引入少量硫元素，即用光源辐照铜铟镓硒层表面对铜铟镓硒层加热，同时通入硫化氢气体对其硫化。本发明专利技术制备方法不仅避免了传统接触式加热方式衬底温度分布不均的问题，也优化了铜铟镓硒的表面物相结构，减少了空间电荷区的载流子复合，有利于提高电池效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及薄膜太阳能电池技术，具体地说是。
技术介绍
铜铟镓硒(Cu (In, Ga) Se2,简称CIGS)薄膜太阳能电池是目前光电转换效率最高的薄膜电池，其实验室最高转换效率在2010年达到20. 3%，而且CIGS电池具有制造成本低、抗辐射能力强、弱光性好的优点，被认为是最有发展前景的新一代太阳能电池。CIGS光吸收层是CIGS薄膜太阳能电池最核心的一层。目前具有较高光电转换效率的电池多采用物理气相沉积工艺制备CIGS光吸收层。在该工艺制备过程中，衬底温度的精确控制和空间分布均匀性对CIGS的物相形成具有重要影响。若衬底温度在衬底平面上 分布不均，则会造成CIGS薄膜在衬底平面上各处物相成分的不均，在温度较低区域会产生杂相，降低电池的光电转换效率。对于大面积电池的制备，尤其需要提高衬底温度的空间分布均匀性。传统的衬底加热方式为接触加热的方法，加热器的加热面紧贴CIGS衬底玻璃平面，采用热传导的方式对衬底加热，但此法易因衬底玻璃受热弯曲，脱离加热面，从而造成衬底温度空间分布不均，脱离加热面的区域衬底温度相对较低。
技术实现思路
本专利技术旨在提供，所要解决的技术问题是提高光吸收层薄膜的成膜均匀性，从而提高电池的光电转换效率。本专利技术太阳能电池光吸收层薄膜的制备方法，是铜铟镓硒(CIGSe)薄膜太阳能电池光吸收层，采用共蒸法制备并通过红外热辐射加热，其特征在于按以下步骤操作将镀钥玻璃衬底置于常规多源热蒸发镀膜系统的衬底上并抽真空至5X10_4Pa，将铜、铟、镓和硒的束源炉温度分别升至1100-1250 0C >900-1000 °C、950_1100°C以及200-300°C并分别保持恒定；将衬底温度从室温升温至250-450°C (3-8分钟)并保持恒定，首先向镀钥玻璃衬底表面蒸镀铟、镓和硒10-15分钟；铟、镓和硒蒸镀结束后将衬底温度升温至450-650°C并在升温的同时蒸镀铜和硒12-16分钟，其中12-16分钟是以温度达到450-650°C时起计算；铜和硒蒸镀结束后保持衬底温度不变蒸镀铟、镓和硒3-6分钟；铟、镓和硒蒸镀结束后将衬底温度在15-30分钟内降至300-400°C，然后随炉自然冷却至室温，得到CIGS薄膜。铜、铟、镓和硒的蒸镀量是通过温度和蒸镀时间来调控的。本专利技术太阳能电池光吸收层薄膜的制备方法，是铜铟镓硫硒(CIGSSe)薄膜太阳能电池光吸收层，包括共蒸和硫化各单元过程，其特征在于所述共蒸是将镀钥玻璃衬底置于常规多源热蒸发镀膜系统的衬底上并抽真空至5X l(T4Pa，将铜、铟、镓和硒的束源炉温度分别升至1100-1250°C、900-100(TC、950-110(rC以及200-300°C并分别保持恒定；将衬底温度从室温升温至250-450°C (3-8分钟)并保持恒定，首先向镀钥玻璃衬底表面蒸镀铟、镓和硒10-15分钟；铟、镓和硒蒸镀结束后将衬底温度升温至450-650°C并在升温的同时蒸镀铜和硒12-16分钟，其中12-16分钟是以温度达到450-650°C时起计算；铜和硒蒸镀结束后保持衬底温度不变蒸镀铟、镓和硒3-6分钟；铟、镓和硒蒸镀结束后将衬底温度在15-30分钟内降至300-400°C，然后随炉自然冷却至室温，得到CIGS薄膜；铜、铟、镓和硒的蒸镀量是通过温度和蒸镀时间来调控的。所述硫化是将所述CIGS薄膜置于在快速升温炉的衬底上，炉内抽真空至5X ICT1Pa,向炉内通入氩气和硫化氢气体，氩气和硫化氢气体的总流量300-400SCCm，流量比为20-50 1 ;通过卤钨灯辐照使温度升至350-550°C并保温5_60分钟，随后降温至200-400°C后关闭卤钨灯，自然冷却至室温，得到CIGSSe薄膜。本专利技术通过共蒸发法制备CIGS薄膜采用的设备是多源热蒸发镀膜系统，由机械 泵、分子泵、真空腔体、束源炉、温控仪、衬底加热器、衬底旋转机构、闸板阀、真空计等部件构成。该系统可实现对多个蒸发源独立精确控温，同时可对衬底加热控温，用于制备多元化合物半导体薄膜。衬底加热器的加热方式为非接触加热，加热器和衬底间保持1-5毫米间距，加热器通过红外热辐射的方式对衬底加热，确保衬底各处受热均匀。本专利技术共蒸发法制备CIGS薄膜的具体步骤如下1、将镀钥玻璃衬底固定在多源热蒸发镀膜系统的衬底上，关闭腔体，用机械泵和分子泵将腔体内部的背景真空抽至5X 10_4Pa，启动束源炉加热器，并确保束源炉挡板关闭。2、将铜、铟、镓、硒的束源炉温度分别升至1100-1250°C、900-1000°C、950-110(rC、200-300°C，并保持恒定。3、衬底加热器由室温开始升温，3-8分钟升至250-450°C并保持恒定，此时打开铟、镓、硒束源炉挡板开始第一阶段蒸镀，对镀钥玻璃衬底蒸发铟、镓、硒，10-15分钟后第一阶段蒸镀结束，关闭铟、镓束源炉挡板，硒束源炉挡板在蒸镀过程中始终打开；第二阶段蒸镀，衬底加热器由250-450°C开始升温，同时打开铜束源炉档板，对镀钥玻璃衬底蒸发铜、硒，3-6分钟后衬底加热器温度升至450-650°C并保持恒定，此刻开始计时，12-16分钟后第二阶段蒸镀结束，关闭铜束源炉档板；第三阶段蒸镀，此步骤衬底加热器温度仍为450-650°C并保持恒定，打开铟、镓束源炉挡板，对镀钥玻璃衬底蒸发铟、镓、硒，3-6分钟后第三阶段蒸镀结束，关闭铟、镓、硒束源炉挡板，衬底加热器缓慢降温，15-30分钟后降至300-400°C，然后关闭衬底加热器，自然降温至室温，得到CIGS薄膜。本专利技术方法制备的CIGS薄膜结晶性好，其X射线衍射谱(图1)表明该CIGS薄膜为黄铜矿结构，扫描电镜(SEM)图像(图2)显示CIGS晶粒尺寸较大，且拉曼谱(Raman)(图3 )表明CIGS表层存在对电池性能有益的富铟相(Cu (In, Ga) 3Se5)。硫化氢硫化CIGS薄膜制备CIGSSe薄膜的设备采用快速升温炉，由机械泵、石英管真空腔体、卤钨灯加热器、温控系统、气路控制系统、真空计、尾气处理系统等部件构成，具体步骤如下4、打开快速升温气氛炉的石英管腔体，将CIGS薄膜置于在衬底上，关闭腔体，用机械泵将腔体内部的背景真空抽至5X liTPa。5、调节氩气和硫化氢气体的流量比至20-50:1。6、开启衬底加热系统，用卤钨灯辐照CIGS薄膜表面对其加温，5-20分钟升至350-550°C并保温5-60分钟，之后缓慢降温至200-400°C时关闭卤钨灯，自然冷却至室温，得到CIGSSe薄膜，关闭氩气和硫化氢气体，硫化结束。采用非接触式衬底加热方法可提高衬底温度的空间分布均匀性，尤其对于大面积电池的工业化生产以及柔性太阳能电池的制备具有重要意义。CIGS薄膜的成相控制对于电池效率具有至关重要的影响。研究表明，CIGS薄膜表层富铟相的存在，以及在表层引入少量硫元素生成铜铟镓硫，可以使CIGS/CdS异质结的能带得到优化，并且减少空间电荷区的载流 子复合，提高电池效率。本专利技术方法不仅避免了传统接触式加热方式衬底温度分布不均的问题，也优化了铜铟镓硒的表面物相结构，减少了空间电荷区的载流子复合，有利于提高电池效率。四附图说明图1是本专利技术CIGS薄膜的XRD谱图。图2是本专利技术CIGS薄膜的SEM图像图3是本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种太阳能电池光吸收层薄膜的制备方法，其特征在于按以下步骤操作：将镀钼玻璃衬底置于多源热蒸发镀膜系统的衬底上并抽真空至5×10?4Pa，将铜、铟、镓和硒的束源炉温度分别升至1100?1250℃、900?1000℃、950?1100℃以及200?300℃并分别保持恒定；将衬底温度升温至250?450℃并保持恒定，首先向镀钼玻璃衬底表面蒸镀铟、镓和硒10?15分钟；铟、镓和硒蒸镀结束后将衬底温度升温至450?650℃并在升温的同时蒸镀铜和硒12?16分钟；铜和硒蒸镀结束后保持衬底温度不变再蒸镀铟、镓和硒3?6分钟；铟、镓和硒蒸镀结束后将衬底温度降至室温得到CIGS薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种太阳能电池光吸收层薄膜的制备方法，其特征在于按以下步骤操作将镀钥玻璃衬底置于多源热蒸发镀膜系统的衬底上并抽真空至5 X 10_4Pa，将铜、铟、镓和硒的束源炉温度分别升至1100-1250°C、900-1000°C、950-110(rC以及200-300°C并分别保持恒定；将衬底温度升温至250-450°C并保持恒定，首先向镀钥玻璃衬底表面蒸镀铟、镓和硒10-15分钟；铟、镓和硒蒸镀结束后将衬底温度升温至450-650°C并在升温的同时蒸镀铜和硒12-16分钟；铜和硒蒸镀结束后保持衬底温度不变再蒸镀铟、镓和硒3-6分钟；铟、 镓和硒蒸镀结束后将衬底温度降至室温得到CIGS薄膜。2.一种太阳能电池光吸收层薄膜的制备方法，包括共蒸和硫化各单元过程，其特征在于所述共蒸是将镀钥玻璃衬底置于多源热蒸发镀膜系统的衬底上并抽真空至5 X IO-4Pa, 将铜、铟、镓和硒的束源炉温...

【专利技术属性】
技术研发人员：万磊，徐进章，邹鹏，孟明明，王仁宝，毛小丽，牛海红，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：