专利名称：一种高效薄膜太阳能电池光吸收层的制备方法
一种高效薄膜太阳能电池光吸收层的制备方法
技术领域：
本发明涉及半导体薄膜的制备中光伏新能源技术领域，特别涉及一 种高效薄膜太阳能电池光吸收层的制备方法。 [背景技术]
铜铟(镓)硒(硫)包括铜铟镓硒(Cu(In，Ga)Se2)、铜铟硒(CuInSe2) 或铜铟镓硫(Cu(In，Ga)S2)、铜铟硫(CuInS2)薄膜(统称CIGS)太阳 能电池是20世纪80年代后期开发出来的新型化合物半导体太阳能电池。 CIGS电池的典型结构为玻璃(不锈钢)衬底、背电极层(Mo)、吸收层 (CIGS)、缓冲层(CdS)、双层结构的ZnO窗口层、本征ZnO(i-ZnO)层、掺 Al低阻透明ZnO(Al:ZnO)层和铝电极。其中CIGS薄膜为光吸收层，是 CIGS太阳电池的核心材料。制备高效CIGS电池的关键之一是要获得高 质量的CIGS多晶薄膜。高质量的CIGS薄膜应该偏离材料化学计量比较小， 具有单一黄铜矿结构，具有较好的致密性及较大的晶粒。这样材料的光 学和电学特性就相应较好，从而有利于电池转换效率的提高。
目前制备CIGS吸收层主要有三种方法磁控溅射、真空(电子束) 蒸发、电化学沉积法。真空(电子束)蒸发法，包括两种工艺，分别是 (1)共蒸Cu、 In、 Ga合金预制膜，然后硒(硫)化。(2)Cu、 In、 Ga、 Se (S)共蒸发；磁控溅射一般首先溅射CuIn和CuGa沉积CuInGa合金预 制层，然后硒(硫)化；电化学沉积法则采用电沉积和硒(硫)化退火 的方法在镀钼电极的基片上制备出高质量的CIGS多晶薄膜。
现有技术采用的磁控溅射、共蒸发、电镀等方法制备的CIGS太阳能 电池转换效率较高，但是需要高真空系统进行薄膜的制备，成本较高，大面积制备均匀性较差，硒(硫)工艺温度较高(400-550°C)，且硒(硫) 化过程中使用的仏Se (H2S)或Se (S)均是剧毒物质，环保成本高，对 其保存和使用的操作要求比较严格，严重影响了CIGS的制备。 [发明内容]
本发明的目的是提供一种高效CIGS薄膜太阳能电池光吸收层的制 备方法，不但可以低成本制备CIGS薄膜，而且可以避免硒(硫)化后 处理过程，操作简易，有利于大面积生产和环保要求及光伏能源的开发 利用。
为实现上述目的，本发明一种高效薄膜太阳能电池光吸收层的制备 方法，其特征在于
首先，制备反应前驱体溶液
a、 在无氧干燥的惰性气氛中分别制备如下4种溶液将Cu2S、 S 加入到联氨溶液中混合均匀得溶液A;将In2Se3和Se加入到联氨溶液中 或将In^和S加入到联氨溶液中制得溶液B;将Se或S加入到联氨溶 液中制得溶液C;将Ga和Se加入到联氮溶液中或将Ga和S加入到联氨 溶液中制得溶液D;
b、 制得反应前驱体溶液取上述制备而得的溶液A、 B、 C、 D或A、 B、 C混合后放入干燥器中，经充分搅拌过滤，制得反应前驱体溶液；
然后，采用物理方法制备CIGS薄膜在惰性气氛中将制备的反应 前驱体溶液采用物理法覆在导电衬底上，经热处理后制得CIGS薄膜。
通过调节溶液A、 B、 C、 D的浓度和体积比，从而控制CIGS薄膜中 Cu: In: Ga: Se或S原子摩尔比为l: 0. 7 1: 0 0. 3: 2。
所述导电衬底为In203:Sn或Sn(kF或ZnO:Al或Mo或Al或Ag。所述物理方法为旋涂法或提拉法或丝网印刷法或喷涂法。 本发明同现有技术相比，采用化学反应制备前驱体溶液后经旋涂等
物理方法制备的CIGS太阳能电池光吸收层，其制备工艺简单，可精确 控制和调节吸收层中各金属原子比例，且能保持14 18%的较高的光电 转化效率，更适合于工业化大面积生产和开发新一代光伏材料；且制备 的高效CIGS薄膜太阳能电池光吸收层还具有沉积温度低、设备简单、 成本低、效率高、性能稳定和免除复杂的硒化或硫化后处理工艺等优点。 [
]
图1为本发明中CIGS薄膜太阳能电池的结构示意图。 图2为本发明一个实施例中CIGS薄膜太阳能电池的电流一电压曲线图。
图3为本发明另一个实施例中CIGS薄膜太阳能电池的电流一电压曲 线图。
图4为本发明又一个实施例中CIGS薄膜太阳能电池的电流一电压曲 线图。
指定图l为摘要附图。 [具体实施例] 实施例l
首先，在氮气保护气氛中分别制备如下溶液
制备溶液A:称取l. 283g Cu2S、 0.512gS加入到16mL的联氨溶液中， 经10h的搅拌反应后静置形成澄清黄色溶液A;
制备无色溶液B:将2.486g In2Se:^P0.421g Se溶解在16mL的联氨溶 液中制备得到；制备溶液C:将1.264g的Se溶解到8mL的联氨中反应而成；
制备溶液D:继续称取0.561g Ga、 1. 264g Se置于16mL的联氨溶液 中得到无色溶液D。
然后，分别移取溶液A 2. OmL、溶液B 2. 3mL、溶液C 2. 5mL和溶液D 1.2mL，混合放入干燥容器中，经充分搅拌过滤后，在氮气氛围中采用 旋涂法以850rpm的转速涂覆到镀Mo玻璃衬底上，经300。C恒温10min热处 理后，以10 25。C/min的程序升温至450 55(TC，保持45min，最终得 到Cu(In,Ga)Se2薄膜，即铜铟镓硒薄膜，采用本例中制备方法制备的铜 铟镓硒薄膜，再按图1所示的结构制备的CIGS薄膜太阳能电池，用100w 的模拟太阳光照射CIGS薄膜太阳能电池，电流-电压曲线参见图2，从图 上可以看出，所制备的太阳能电池开路电压为635mV，短路电流密度为 35. 2mA/cm—2，光电转换效率达到15. 2%。
实施例2
首先，在氮气保护气氛中分别制备如下溶液
制备溶液A:称取O. 803g的Cii2S、 0. 321g的S加入到10mL的联氨溶 液中，经10h的搅拌反应后静置形成溶液A;
制备溶液B:将2.3411g的lri2Se3和0.395g的Se溶解在10mL的联氨 溶液中制备得到；
制备溶液C:将0.956g的Se溶解到5mL的联氨中反应而成。
然后，分别移取溶液A 2.0mL、溶液B 2. OmL、溶液C 2.4mL，混合 放入干燥容器中，经充分搅拌过滤后，在氮气氛围中采用喷涂法涂覆到 镀Mo玻璃衬底上，经30(TC恒温5min热处理后，以10 25tVmin的程序 升温至450 55(TC，保持45min，最终得到CuInSe2薄膜，即铜铟硒薄膜，采用本例中制备方法制备的铜铟镓硒薄膜，再按图l所示的结构制备
CIGS薄膜太阳能电池，用100w的模拟太阳光照射CIGS薄膜太阳能电池， 电流-电压曲线参见图3，从图上可以看出，所制备的太阳能电池开路电 压为622mV，短路电流密度为34. 3mA/cm—2,光电转换效率达到14. 5%。 实施例3
首先，在氮气保护气氛中分别制备如下溶液
制备溶液A:称取0.955g的Cu2S和0. 382g的S加入到12mL的联氨溶 液中，经10h的搅拌反应后静置形成溶液A;
制备溶液B:将1.9434g的lri2S3和0. 1909g的S溶解在12mL的联氨溶 液中制备得到；
制备溶液C:将0.384g的S溶解至lj6mL的联氨中反应而成。
然后，分别移取溶液A 4.0mL、溶液B 4. OmL、溶液C 1. 6mL，混合 放入干燥容器中，经充分搅拌过滤后，在氮气氛围中采用喷涂法涂覆到 镀Mo玻璃衬底上，经300。C恒温5min热处理后，以10 25X:/min的程序 升温至450 55(TC，保持45min,最终得到CuInS2薄膜，即铜铟硫薄膜， 采用本例中制备方法制备的铜铟镓硒薄膜，再按图l所示的结构制备 CIGS薄膜太阳能电池，用100w的模拟太阳光照射CIGS薄膜太阳能电池， 电流-电压曲线参见图4，从图上可以看出，所制备的太阳能电池开路电 压为632mV，短路电流密度为36.8mA/cnT2，光电转换效率达到16. 1%。
权利要求
1.一种高效薄膜太阳能电池光吸收层的制备方法，其特征在于(1)制备反应前驱体溶液a、在无氧干燥的惰性气氛中分别制备如下4种溶液将Cu2S、S加入到联氨溶液中混合均匀得溶液A；将In2Se3和Se加入到联氨溶液中或将In2S3和S加入到联氨溶液中制得溶液B；将Se或S加入到联氨溶液中制得溶液C；将Ga和Se加入到联氨溶液中或将Ga和S加入到联氨溶液中制得溶液D；b、制得反应前驱体溶液取上述制备而得的溶液A、B、C、D或A、B、C混合后放入干燥器中，经充分搅拌过滤，制得反应前驱体溶液；(2)采用物理方法制备CIGS薄膜在惰性气氛中将制备的反应前驱体溶液采用物理法覆在导电衬底上，经热处理后制得CIGS薄膜。
2. 如权利要求1所述的一种高效薄膜太阳能电池光吸收层的制备方 法，其特征在于CIGS薄膜中Cu: In: Ga: Se或Cu: Im Ga: S 原子摩尔比为1: 0. 7 1: 0 0. 3: 2。
3. 如权利要求1所述的一种高效薄膜太阳能电池光吸收层的制备方 法，其特征在于所述导电衬底为In20:,:Sn或Sn02:F或ZnO:Al或Mo 或Al或Ag。
4. 如权利要求1所述的一种高效薄膜太阳能电池光吸收层的制备方 法，其特征在于所述物理方法为旋涂法或提拉法或丝网印刷法或喷 涂法。
全文摘要
本发明涉及半导体薄膜的制备中光伏新能源技术领域，特别涉及一种高效薄膜太阳能电池光吸收层的制备方法，将Cu<sub>2</sub>S、S加入到联氨溶液中混合均匀得溶液A；将In<sub>2</sub>Se<sub>3</sub>和Se加入到联氨溶液中或将In<sub>2</sub>S<sub>3</sub>和S加入到联氨溶液中制得溶液B；将Se或S加入到联氨溶液中制得溶液C；将Ga和Se加入到联氨溶液中或将Ga和S加入到联氨溶液中制得溶液D；将上述制备而得的溶液A、B、C、D或A、B、C混合制成反应前驱体溶液；然后将前驱体溶液采用物理法覆在导电衬底上制备CIGS薄膜。本发明同现有技术相比，工艺简单，可精确调控吸收层中各金属原子比例，且能保持14～18％的较高的光电转化效率，免除硒化或硫化后处理工艺。
文档编号H01L31/18GK101527332SQ20091004896
公开日2009年9月9日 申请日期2009年4月8日 优先权日2009年4月8日
发明者曹美玲, 林丽锋, 潘丽坤 申请人:华东师范大学;上海纳晶科技有限公司