铜铟镓硒薄膜太阳能电池及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光电技术领域，特别涉及铜铟镓硒薄膜太阳能电池及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 铜铟硒（CuInSe2，简称CIS)系薄膜太阳能电池作为第三代太阳能电池的代表，具 有光电转化效率高、性能稳定、抗辐射性能好和制备成本低等优势。CIS的禁带宽度为1. 04 eV，铜镓硒（CuGaSe2，简称CGS)的禁带宽度为1.68 eV。在CIS中使一定量的Ga替代In， 可以形成铜铟镓硒（CudrihGa^SeJ四元半导体材料，通过调节铜铟镓硒中Ga的含量可以 调节电池的禁带宽度，进一步提高薄膜太阳能电池的光电转化效率。铜铟镓硒薄膜太阳能 电池的典型结构为：减反射层/透明电极层/窗口层/过渡层/光吸收层(铜铟镓硒层）/ 金属背电极/衬底。其中铜铟镓硒层的质量直接决定薄膜太阳能电池的转化效率。
[0003] 铜铟镓硒吸收层的制备方法有非真空法和真空法两类。其中非真空法主要包括电 沉积、丝网印刷等工艺方法，但采用这些方法制备得到的铜铟镓硒薄膜中氧杂质含量高，成 分控制精度差，导致制备得到的铜铟镓硒薄膜太阳能电池转化效率低，因此非真空法不能 满足工业化生产要求。真空法主要包括共蒸发、铜铟镓（CuInGa，简称CIG)金属预制膜硒化 和铜铟镓硒四元靶材溅射后退火等方法。共蒸发法制备得到的电池光电转化效率最高，但 该方法成本高，工艺复杂，大面积均匀性差，不适于制备大面积电池。CIG金属预制膜硒化法 制备得到的薄膜表面平整度差，成分分布不均匀，同时硒化反应需要在有毒的H 2Se气氛中 进行。为获得大面积高质量的铜铟镓硒薄膜，四元铜铟镓硒靶材溅射后退火的方法被广泛 采用，为抑制退火过程中Se的流失，反应需要在H 2Se气氛中完成，从而获得具有理想成分 的铜铟镓硒薄膜，但H2Se气体的使用限制了该方法的应用。H 2Se是易燃、剧毒性气体，且造 价高，对气体的保存和操作都需要进行严格限制，阻碍了该工艺方法的实际应用。
【发明内容】
[0004] 有鉴于此，确有必要提供一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池及其制备方法，在制备过 程中无需使用Se单质蒸发气氛或H 2Se气氛。
[0005] 一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池，包括基底、设置在该基底上的背电极层、设置在 该背电极层上的光吸收层、设置在该光吸收层上的缓冲层及设置在该缓冲层上的窗口层， 该光吸收层包括铜元素（Cu)、铟元素（In)、镓元素（Ga)及硒元素（Se)，该光吸收层为 CUydiVxGaJSes中原位掺杂Se元素，元素之间的摩尔比为1. 0〈Se: (Cu+In+Ga)彡1. 5。
[0006] 一铜铟镓硒薄膜太阳能电池的制备方法，包括：1)在该基底上制备所述背电极 层；2)采用一溅射靶在该背电极层上溅射形成含有Se、Cu、In及Ga的无定形材料薄膜， 该派射祀的制备方法包括将CUydnhGaJSe；^粉末和单质Se粉末在液态介质中进行球磨 混合，再将球磨后的混合物烘干去除该液态介质；以及采用热压烧结、常压烧结或热等静 压烧结工艺，对球磨后得到的混合体在400° C~900° C进行烧结；以及对该无定形材料 薄膜进行退火处理，该退火处理的气氛为真空、稀有气体及氮气中的至少一种，退火温度为 300° 0600° C，升温速率为r C/min~100° C/min，退火时间为0. 1小时~3小时，得到 薄膜太阳能电池光吸收层；3)对该无定形材料薄膜进行退火处理，该退火处理的气氛为 真空、稀有气体(优选为氩气)及氮气中的至少一种，退火温度为300° C~600° C，升温速率 为1° C/min~100° C/min，退火时间为0. 1小时~3小时，得到所述光吸收层；4)在该光吸 收层上形成缓冲层；以及5)在该缓冲层上形成窗口层。
[0007] 与现有技术相比，本发明以高纯CUydnhGaJS%粉末和Se粉末作为原料，先对 CUydnhGaJS%粉末和Se粉末进行混合球磨，再通过常压烧结、热压烧结或热等静压烧结 获得具有高硒含量的四元溅射靶。使用该溅射靶进行真空磁控溅射，可以一次性获得高硒 含量的四元薄膜，之后只需在真空或保护气氛中退火就可以完成薄膜的结晶和晶粒的长 大，同时可以保证光吸收层中具有充足的Se含量。通过使用该溅射靶避免了薄膜后续退火 过程中使用有害单质Se蒸发源或有毒H 2Se气体，极大的提高了薄膜太阳能电池制备工艺 的安全性，可以有效降低薄膜太阳能电池的制备成本，加速其工业化应用。
【附图说明】
[0008] 图1为本发明实施例铜铟镓硒薄膜太阳能电池的结构示意图。
[0009] 图2为本发明实施例铜铟镓硒薄膜太阳能电池的制备方法的流程图。
[0010] 图3为本发明实施例溅射靶的XRD图谱。
[0011] 图4为本发明实施例光吸收层的XRD图谱。
[0012]图5为本发明实施例2-1光吸收层的横截面的扫描电镜照片。
[0013] 主要元件符号说明
【主权项】
1. 一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池，包括基底、设置在该基底上的背电极层、设置在该背 电极层上的光吸收层、设置在该光吸收层上的缓冲层及设置在该缓冲层上的窗口层，该光 吸收层包括铜元素（Cu)、铟元素（In)、镓元素（Ga)及硒元素（Se)，其特征在于，该光吸收层 为Cuy (IrvxGax) Se2中原位掺杂Se元素，元素之间的摩尔比为I. 0〈Se: (Cu+In+Ga)彡1. 5。
2. 如权利要求1所述的铜铟镓硒薄膜太阳能电池，其特征在于，该光吸收层化学式由 Cuy (IivxGax) 362+2表不。
3. 如权利要求2所述的铜铟镓硒薄膜太阳能电池，其特征在于，0〈x<0. 8,0. 5〈y〈l. 2， 并且 0〈ζ〈0· 5。
4. 如权利要求1所述的铜铟镓硒薄膜太阳能电池，其特征在于，该光吸收层的载流子 浓度为 I X l〇15cm_3~l X 1018cm_3,载流子迀移率为 0· lcmW^lOOcmW1。
5. 如权利要求1所述的铜铟镓硒薄膜太阳能电池，其特征在于，该光吸收层的厚度为 0· 2 μ m~5· O μ m〇
6. -铜铟镓硒薄膜太阳能电池的制备方法，包括： 1) 在该基底上制备所述背电极层； 2) 采用一溅射靶在该背电极层上溅射形成含有Se、Cu、In及Ga的无定形材料薄膜，该 溅射靶的制备方法包括： 将Cuy (IrvxGax) Se2粉末和单质Se粉末在液态介质中进行球磨混合，再将球磨后的混 合物烘干去除该液态介质；以及采用热压烧结、常压烧结或热等静压烧结工艺，对球磨后得 到的混合体在400° C ~900° C进行烧结； 3) 对该无定形材料薄膜进行退火处理，该退火处理的气氛为真空、稀有气体及氮气中 的至少一种，退火温度为300° C~600° C，升温速率为Γ C/min~100° C/min，退火时间为 0. 1小时~3小时，得到所述光吸收层； 4) 在该光吸收层上形成缓冲层；以及 5) 在该缓冲层上形成窗口层。
7. 如权利要求6所述的铜铟镓硒薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，该退火处 理的气氛中Se元素的含量小于lOppm。
8. 如权利要求6所述的铜铟镓硒薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，该基底温 度为 20° 0700。C。
9. 如权利要求6所述的铜铟镓硒薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，该溅射法 为中频磁控溅射法或射频磁控溅射法。
10. 如权利要求6所述的铜铟镓硒薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，该溅射过 程中的本底真空为ixi(T4pa~ixi(r2pa。
11. 如权利要求6所述的铜铟镓硒薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，该退火过 程中无定形材料薄膜的Se含量下降。
【专利摘要】本发明涉及一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池，包括基底、设置在该基底上的背电极层、设置在该背电极层上的光吸收层、设置在该光吸收层上的缓冲层及设置在该缓冲层上的窗口层，其特征在于，该光吸收层包括铜元素(Cu)、铟元素(In)、镓元素(Ga)及硒元素(Se)，该光吸收层为Cuy(In1-xGax)Se2中原位掺杂Se元素，元素之间的摩尔比为1.0<Se:(Cu+In+Ga)≤1.5。本发明还涉及一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池的制备方法。
【IPC分类】H01L31-0392, H01L31-032, H01L31-18, H01L31-0445
【公开号】CN104835869
【申请号】CN201510241668
【发明人】赵明, 庄大明, 李晓龙, 曹明杰, 欧阳良琦, 詹世璐, 魏要伟
【申请人】清华大学
【公开日】2015年8月12日
【申请日】2015年5月13日