一种薄膜太阳能电池的处理方法及装置与流程

本发明实施例涉及光伏领域，特别涉及一种薄膜太阳能电池的处理方法及装置。

背景技术：

当今全球光伏市场是以晶体硅太阳能电池为主，但高能耗的生产工艺导致能源资源的快速消耗将使社会无法承受，也必将制约着光伏产业更大规模的发展。因此，发展低成本、新型薄膜太阳能电池是未来国际光伏产业的必然趋势。cigs(cuinxga(1-x)se2的简称)薄膜太阳能电池，是由cu(铜)、in(铟)、ga(镓)、se(硒)四种元素构成最佳比例的黄铜矿结晶薄膜太阳能电池，是在玻璃或其它廉价衬底上沉积6层以上化合物半导体和金属薄膜料，薄膜总厚度约3～4微米。该电池成本低、性能稳定、抗辐射能力强，其光电转换效率目前是各种薄膜太阳能电池之首，光谱响应范围宽，在阴雨天光强下输出功率高于其它任何种类太阳能电池，被国际上称为下一时代最有前途的廉价太阳能电池之一。

cigs薄膜太阳能电池中通常包含有cds(硫化镉)层，cds是一种直接带隙ⅱ-ⅵ族化合物半导体材料，禁带宽度为2.42ev左右，常被用做薄膜太阳能电池的重要功能层材料。cds层的制备方法有很多，包括磁控溅射、丝网印刷、热蒸发、电沉积和化学水浴沉积(chemicalbathdeposition,cbd)等，其中cbd法属于非真空法，沉积设备简单；沉积温度低，能耗小；氨水可溶解cigs表面的自然氧化物，达到清洁表面等作用，从而日益受到科研界及产业界青睐。

发明人发现现有技术中至少存在如下问题：通过cbd法沉积的cds薄膜，由于晶粒较小，薄膜致密性差，容易形成较多的漏电路径，降低电池性能。

技术实现要素：

本发明实施方式的目的在于提供一种薄膜太阳能电池的处理方法，能够提高电池性能。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种薄膜太阳能电池的处理方法，包括：形成包含有衬底、硫化镉层和光吸收层的叠层；将所述叠层放入加热器中，对所述叠层进行快速热处理。

本发明实施方式还提供了一种薄膜太阳能电池的处理装置，包括具有收容空间的腔体，以及加热所述腔体的加热丝，还包括与所述加热丝相连的控制器，所述控制器控制加热丝的加热速度以及加热温度。

本发明实施方式相对于现有技术而言，快速热处理能够促使硫化镉层再结晶，增大晶粒，钝化晶界处缺陷，减小缺陷浓度，改善pn结品质；同时，可以增加薄膜致密性，减少漏电路径，提高电池性能；另外，快速热处理还能够促进cd²⁺向光吸收层内部扩散，与光吸收层表面形成反型，提升薄膜太阳能电池的开路电压，进而提高电池光电转换效率。

可选的，所述对所述叠层进行快速热处理是在第一气体和氧气的气氛环境下进行，所述第一气体为惰性气体或氮气。通入氧气能够实现硫化镉层表面的适度氧化，抑制硫化镉层/光吸收层界面的过度互扩散，防止过多的杂质形成复合中心而影响载流子收集，进而提高电池性能。

可选的，所述第一气体和所述氧气的流量比为θ，3≦θ≦5。

可选的，所述对所述叠层进行快速热处理是在真空度为0.01～0.05mp叠层的环境下进行。

可选的，所述对所述叠层进行快速热处理之前，还包括：使用氮气或惰性气体吹扫所述加热器。如此设置，能够防止加热器中的杂质在快速热处理过程中与所述叠层反应、而影响所述叠层的性能，进而确保了所述薄膜太阳能电池的性能。

可选的，使用氮气或惰性气体吹扫所述加热器之后，所述对所述叠层进行快速热处理之前，还包括：将所述加热器抽至真空状态。如此设置，能够更加精准的控制所述快速热处理的气氛环境，从而提高所述薄膜太阳能电池的性能。

可选的，所述对所述叠层进行快速热处理之后，还包括：在真空条件下冷却所述叠层；冷却完成后取出所述叠层。如此设置，能够防止在冷却过程中加热器中的气体与所述叠层反应，进而确保了所述薄膜太阳能电池的性能。

可选的，所述快速热处理具体包括：以设定升温速度使所述加热器内的温度升至目标温度，并维持预设时长。

可选的，所述快速热处理具体为：以3℃/s～5℃/s的升温速度升至120～150℃后，维持2～5min。

可选的，还包括：分别与所述腔体相连的第一气体气源和氧气气源，所述第一气体气源为惰性气体气源或氮气气源。在对薄膜太阳能电池进行快速热处理的过程中，通入氧气能够实现cds表面的适度氧化，抑制cds/光吸收层界面的过度互扩散，防止过多的杂质形成复合中心而影响载流子收集，通入第一气体作保护气，防止氧气浓度过高发生危险。

可选的，所述腔体上设置有与所述收容空间连通的进气口和出气口，所述进气口经由气路与所述第一气体气源和氧气气源连通，所述气路包括与所述氧气气源相连的第一气路、与所述第一气体气源相连的第二气路、将第一气路和第二气路连接至所述进气口的第三气路。

可选的，所述第一气路上设置有第一气阀，所述第二气路上设置有第二气阀。

可选的，所述第一气路上还设置有第一流量调节阀，所述第二气路上还设置有第二流量调节阀。如此设置，能够精确控制通入所述收容空间的第一气体与氧气的流量比，从而控制cds表面的氧化程度。

可选的，第三气路上设置有第三流量调节阀。如此设置，能够精确控制通入所述收容空间的气体流量。

可选的，第三气路上设置有第三气阀。

可选的，还包括与所述出气口相连的抽真空装置。

可选的，所述出气口经由第四气路与所述抽真空装置相连，所述第四气路上设置有第四气阀。如此设置，能够保证所述收容空间的真空度稳定，从而有利于所述薄膜的热处理。

可选的，还包括与所述收容空间连通的气压感测装置。

附图说明

图1是本发明第一实施方式提供的一种薄膜太阳能电池的处理方法的流程图；

图2是本发明第二实施方式提供的一种薄膜太阳能电池的处理方法的流程图；

图3是本发明第三实施方式提供的一种薄膜太阳能电池的处理方法的流程图；

图4是现有技术中的叠层和本发明实施方式中经过rtp处理的叠层来制得的电池的i-v曲线；

图5是本发明第四实施方式提供的薄膜太阳能电池的处理装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本发明而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本发明所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种薄膜太阳能电池的处理方法，具体流程如图1所示，包括以下步骤：

s101:形成包含有衬底、硫化镉层和光吸收层的叠层。

具体的说，在步骤s101中，衬底可以为钠钙玻璃衬底、金属衬底或有机聚合物衬底。另外，还可以使用清洗剂浸泡并清洗衬底，其中，清洗剂可以为dz-1或dz-2系列半导体清洗剂。所述硫化镉层通过cbd法沉积，光吸收层采用磁控溅射、热蒸发或升华方式进行沉积，沉积厚度为1～2μm，硫化镉层采用cbd法进行沉积，沉积厚度为30～200nm；光吸收层与硫化镉(硫化镉)层分别作为p型区和n型区共同构成异质结，即pn结。待后续功能层都沉积完成后，太阳光在光吸收层被吸收，产生光生载流子，电子和空穴在电池的pn结内建电场的作用下分离，电子流向负极，空穴流向正极，将电流输入外电路。

s102:将所述叠层放入加热器中，对所述叠层进行快速热处理。

具体的说，在步骤s102中，在第一气体和氧气流量比为θ，3≦θ≦5的气氛环境下，对所述叠层进行快速热处理。进一步的，在真空度为0.01～0.05mp叠层的气氛环境下，对所述叠层进行快速热处理。可选的，θ＝3，真空度为0.01mp叠层，其中，所述第一气体为惰性气体或氮气。通入氧气能够实现硫化镉表面的适度氧化，抑制硫化镉/光吸收层界面的过度扩散，防止过多的杂质形成复合中心而影响载流子收集。

本实施方式中，所述快速热处理具体为：以3℃/s～5℃/s的升温速度升至120～150℃后，维持2～5min。可选的，在30s内升温至120～150℃后，维持2min。通过快速热处理，既能促使薄膜再结晶，增大硫化镉晶粒，增加薄膜致密性，能够减少漏电路径；同时又能钝化晶界处缺陷，减小缺陷浓度。

本发明实施方式相对于现有技术而言，快速热处理能够促使硫化镉薄膜再结晶，增大硫化镉晶粒，增加薄膜致密性，减少漏电路径；同时钝化晶界处缺陷，减小缺陷浓度，改善pn结品质；另外，快速热处理还能够促进cd²⁺向光吸收层的表面层扩散，形成cdcu施主缺陷，使表面区电子密度增大，导致cigs表面层能带弯曲或反型，这有助于最小化界面区界面缺陷态的影响，减小界面复合速率，提升薄膜太阳能电池的开路电压，改善电池性能。

本发明的第二实施方式涉及一种薄膜太阳能电池的处理方法，具体流程如图2所示，本发明第二实施方式与第一实施方式大致相同，主要区别之处在于，在本发明第二实施方式中，在所述对所述叠层进行快速热处理之前，还包括：使用氮气或惰性气体吹扫所述加热器。如此设置，能够防止加热器中的杂质在快速热处理过程中与所述叠层反应、而影响薄膜太阳能电池的性能，进而提高了所述薄膜太阳能电池的性能。

本发明的第三实施方式涉及一种薄膜太阳能电池的处理方法，具体流程如图3所示，本发明第三实施方式与第二实施方式大致相同，主要区别之处在于，在本发明第三实施方式中，在，使用氮气或惰性气体吹扫所述加热器之后，所述对所述叠层进行快速热处理之前，还包括：将所述加热器抽至真空状态。如此设置，能够更加精准的控制所述快速热处理的气氛环境，使得氧气对cd离子扩散进光吸收层的表面层的抑制作用与快速热处理对cd离子扩散进光吸收层的表面层的促进作用达到最佳的匹配，进而使所述cd离子适度扩散进光吸收层的表面层，从而既局部双二极管串联形式、提升薄膜太阳能电池的开路电压，又避免过多的杂质形成复合中心而影响载流子收集。

值得一提的是，所述对所述叠层进行快速热处理之后，还可以包括：在真空条件下冷却所述叠层，冷却完成后取出所述叠层。具体的说，自然冷却大约一小时后，将所述叠层从所述加热器中取出。可选的，停止加热所述加热器、并开启真空泵将加热器的腔体抽至真空状态，在真空条件下冷却所述叠层约一小时，冷却完成后通入空气至大气压、并取出所述叠层。通过上述处理，能够防止在冷却过程中加热器中的气体与所述叠层过度反应，提高所述叠层的特性。

本实施方式中的薄膜太阳能电池可以为cigs薄膜太阳电池、czts薄膜太阳电池以及cdte薄膜太阳电池等，在cigs、czts薄膜太阳能电池中硫化镉为缓冲层，在cdte薄膜太阳能电池中硫化镉为窗口层。下面以cigs薄膜太阳电池的制备过程为例进行具体说明，包括以下步骤：

1)使用半导体清洗剂浸泡并清洗钠钙玻璃衬底(或金属衬底、有机聚合物衬底)；。

2)使用磁控溅射法制备mo背电极，厚度为1～2μm；使用磁控溅射或共蒸发法制备cigs吸收层，厚度为1～2μm；使用cbd法制备硫化镉缓冲层，厚度为30～50nm。

3)将上述过程生成的叠层放置于rtp装置中央加热区，使用氮气吹扫腔体内部，如此设置，能够防止加热器中的杂质在快速热处理过程中与所述叠层反应而影响叠层的性能。

4)使用真空泵将rtp装置抽至真空状态，如此设置，能够更加精准的控制所述快速热处理的气氛环境。

5)设定升温及加热程序，例如以4～5℃/s速率升温，并且在120～150℃，维持2～5min。

6)打开氮气(或惰性气体)与氧气减压阀，调节流量计比例为3/1。

7)待流量计示数稳定，关闭真空泵，打开rtp装置进气阀，待真空计示数显示为0.01mp叠层，关闭进气阀，同时开启升温程序。

8)待程序走完，开启真空泵将腔体抽至真空，自然冷却约1h。

9)关闭真空泵，通入空气至大气压，取出样品。

如图4所示，为电池的电流-电压曲线，其中，虚线与实线分别是由现有技术中的叠层和本发明实施方式中经过rtp处理的叠层来制得的电池的i-v曲线，由图可知，经过rtp处理后的叠层制得的电池的填充因子和开路电压都有了比较明显的提升。

本发明的第四实施方式涉及一种薄膜太阳能电池的热处理装置100，如图5所示，包括：具有收容空间10的腔体11、加热腔体11的加热丝12，以及与加热丝12相连的控制器13，控制器13控制加热丝12的加热速度以及加热温度。

本发明实施方式相对于现有技术而言，由于热处理装置100包括加热腔体11的加热丝12，以及与加热丝12相连的控制器13，控制器13控制加热丝12的加热速度以及加热温度，从而可以对收容于收容空间10中的薄膜太阳能电池进行快速热处理，快速热处理能够促使cds薄膜再结晶，增大晶粒，增加薄膜致密性，减少漏电路径；钝化界面缺陷，减小缺陷浓度；另外，快速热处理还能够促进cd²⁺向光吸收层的表面层扩散，形成cdcu施主缺陷，使表面区电子密度增大，导致cigs表面层能带弯曲或反型，有助于最小化界面区界面缺陷态的影响，减小界面复合速率，提升薄膜太阳能电池的开路电压，改善电池性能。

可选的，薄膜太阳能电池的热处理装置100还包括：分别与腔体11相连的第一气体气源14和氧气气源15，第一气体气源14为惰性气体气源或氮气气源。在对薄膜太阳能电池进行快速热处理的过程中，通入氧气能够实现cds表面的适度氧化，抑制cds/光吸收层界面的过度扩散，防止过多的杂质形成复合中心而影响载流子收集，通入第一气体作保护气，防止氧气浓度过高发生危险。

本实施方式中，腔体11上设置有与收容空间10连通的进气口16和出气口17，进气口16经由气路(图未示)与第一气体气源14和氧气气源15连通，气路(图未示)包括与氧气气源15相连的第一气路181、与第一气体气源14相连的第二气路182、将第一气路181和第二气路182连接至进气口16的第三气路183。另外，第一气路181上设置有第一气阀19，第二气路182上设置有第二气阀20。

值得一提的是，第一气路181上还设置有第一流量调节阀21，第二气路182上还设置有第二流量调节阀22。如此设置，能够精确控制通入收容空间10的第一气体与氧气的流量比，从而可以控制硫化镉层表面的氧化程度。本实施方式中，第三气路183上设置有第三流量调节阀23，如此设置，能够精确控制通入收容空间10的气体流量。另外，第三气路183上还可设置有第三气阀24。

本实施方式中，还包括与收容空间10连通的气压感测装置25，气压感测装置25实施检测腔体11内的气压。可以理解的是，流量调节阀也可以自带气压显示功能。

可选的，薄膜太阳能电池的热处理装置100还包括与出气口17相连的抽真空装置26。进一步的，出气口17经由第四气路184与抽真空装置26相连，第四气路184上设置有第四气阀27。通过抽真空装置26，能够使得收容空间10为真空状态，从而有利于后续精确控制第一气体和氧气的在腔体11中的比例，且在冷却过程中，能够防止薄膜太阳能电池与空气中的气体发生反应，从而提高了电池性能；通过第四气阀27能够保证收容空间10的真空度稳定在一定数值上，从而有利于控制叠层的热处理过程。本实施方式中，抽真空装置26可以是真空泵。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。