非真空製作銅銦鎵硒和/或硫光吸收層的方法

2023-06-30 11:50:21 1

專利名稱：非真空製作銅銦鎵硒和/或硫光吸收層的方法
技術領域：
本發明涉及一種銅銦鎵硒和/或硫光吸收層的製作方法，特別是一種非真空製作銅銦鎵硒和/或硫光吸收層的方法。
背景技術：
近年來，隨國際油價高漲及環保意識的抬頭，綠色能源已成為新能源主流，其中太 陽能電池又因是取自太陽的穩定輻射能，來源不會枯竭，因此更為各國所重視，無不傾注大 量研發經費及政策性補貼，以扶植本地的太陽能電池產業，使得全球太陽能產業的發展非 常快速。第一代太陽能模塊包括單晶矽和多晶矽的太陽能模塊，雖然光電轉換效率高且量 產技術成熟，但因為材料成本高，且矽晶圓常因半導體工業的需求而貨源不足，影響後續的 量產規模。因此，包含非晶矽薄膜、銅銦鎵硒(CIGS)薄膜或銅銦鎵硒(硫)(CIGSS)薄膜和 碲化鎘薄膜的第二代的薄膜太陽能模塊，在近幾年已逐漸發展並成熟，其中又以銅銦鎵硒 或銅銦鎵硒(硫)太陽能電池的轉換效率最高(單元電池可高達20%，而模塊約14%)，因 此特別受到重視。參閱圖1，現有技術的銅銦鎵硒太陽能電池結構包括基板10、第一導電層20、銅銦 鎵硒和/或硫吸收層30、緩衝層40、絕緣層50以及第二導電層60，其中基板10可為玻璃 板、鋁板、不鏽鋼板或塑料板，第一導電層20 —般包括金屬鉬，作為背面電極，銅銦鎵硒和/ 或硫吸收層30包括適當比例的銅、銦、鎵及硒，作為ρ型薄膜，為主要的光線吸收層，緩衝層 40包括硫化鎘(CdS)，作為η型薄膜，絕緣層50包括氧化鋅(ZnO)，用以提供保護，第二導電 層60包含氧化鋅鋁(Ζη0:Α1)，用以連接正面電極。上述銅銦鎵硒和/或硫太陽能電池的製造方法主要依據銅銦鎵硒和/或硫吸收層 的製造環境而分成真空製造方法及非真空製造方法。真空製造方法包括濺射法或蒸鍍法， 缺點是投資成本較高且材料利用率較低，因此整體製作成本較高。非真空製造方法包括印 刷法或電沉積法，缺點是技術還不成熟，無較大面積的商品化產品。不過非真空製造方法具 有製造設備簡單且工藝條件容易達成的優點，而有相當的商業潛力。銅銦鎵硒和/或硫吸收層的非真空製造方法是先調配銅銦鎵硒和/或硫漿料或墨 水(Ink)，用以塗布到鉬層上。現有技術銅銦鎵硒和/或硫漿料調配是先以適當比例混合IB、IIIA及VIA族元素 的氧化物以形成原始含銅銦鎵硒和/或硫混合的氧化物粉末，再添加適當比例的溶劑，並 進行攪拌以形成原始銅銦鎵硒和/或硫漿料，最後添加粘接劑(binder)或表面活性劑以提 高銅銦鎵硒和/或硫吸收層和鉬背面電極的粘接性，並進行攪拌混合以形成最後銅銦鎵硒 和/或硫漿料。上述現有技術的缺點是1、欲將氧化物中的氧去除時，需在極高溫度下使用氫氣還原該氧化物，同時需使 用硒化氫進行硒化過程，不但會提高設備成本，且硒化氫毒性很強，若不小心使用會有致死危險。2、為使吸收層能粘接在鉬層上，漿料或墨水必須添加表面活性劑及粘接劑，而表 面活性劑和粘接劑可能會殘留在吸收層中，使得吸收層的含碳量和含氧量偏高，若還原過 程中，還有氧分子殘留在最後的銅銦鎵硒和/或硫吸收層內，會影響銅銦鎵硒和/或硫吸收 層的光吸收特性，甚至影響效率。3、一般使用的奈米金屬或金屬化合物粉末皆使用圓球狀，這些球狀顆在堆壘時， 易產生空隙，使膜的緻密性降低，影響光吸收層的收特性及光電轉換效率。因此，需要一種不需高溫、不添加表面活性劑及粘接劑，而能降低光吸收層空隙和 硒化的製造方法，使用便宜且簡單的設備即可沉積以製造銅銦鎵硒和/或硫太陽能電池的 光吸收層，以解決上述現有技術的問題。

發明內容
本發明的目的在於，克服現有的製作銅銦鎵硒和/或硫光吸收層存在的缺陷，而 提供一種非真空製作銅銦鎵硒和/或硫光吸收層的方法。在非真空下不需界面活性劑及粘 接劑而製作銅銦鎵硒漿料或銅銦鎵硒(硫)漿料，將其塗布在鉬層上而形成銅銦鎵硒太陽 電池的吸收層，用以進行光吸收及光電轉換。本發明的目的及解決其技術問題是採用以下的技術方案來實現的。依據本發明提 出的一種非真空製作銅銦鎵硒或硫光吸收層的方法，包括(1)依據配方比例，混合含IB、IIIA的二成份或三成份硒化物材料，以形成原始混 合粉末，且該IB族元素包括銅，該IIIA族元素包括銦或鎵或銦鎵混合材料；(2)添加溶劑至該最後混合粉末中並進行攪拌，形成含有IB、IIIA及VIA族元素 的銅銦鎵硒漿料；(3)將該漿料塗布在鉬層上，軟烤使溶劑揮發形成光吸收前驅層；(4)再將含銅銦鎵硒和/或硫前驅層的基板反置於含均勻灑布VI族元素的耐高溫 載板上，一起在快速退火熱處理爐中退火長晶，以形成含銅銦鎵硒和/或硫的光吸收層。本發明的目的以及解決其技術問題還可以採用以下的技術措施來進一步實現。前述的非真空製作銅銦鎵硒和/或硫光吸收層的方法，其中所述光吸收層中IB、 IIIA及VIA族元素的摩爾比例等於1.0 1.0 2.0。前述的非真空製作銅銦鎵硒和/或硫光吸收層的方法，其中所述二成份硒化物 為二銅化硒(Cu2Se)、一銅化硒(CuSe)、二銦化三硒(In2Se3)、二鎵化三硒(Ga2Se3)、銦化硒 (InSe)、鎵化硒(GaSe)其中之一。前述的非真空製作銅銦鎵硒和/或硫光吸收層的方法，其中所述灑布於耐高溫載 板上的VI族元素為硒粉、硫粉或混合硒粉和硫粉。前述的非真空製作銅銦鎵硒和/或硫光吸收層的方法，其中所述三成份硒化物可 為硒化銅銦(CuInSe)或硒化銅鎵(CuGaSe)其中之一。前述的非真空製作銅銦鎵硒和/或硫光吸收層的方法，其中所述溶劑包括醇類、 醚類、酮類或混合所述二種以上溶劑的至少其中之一。前述的非真空製作銅銦鎵硒和/或硫光吸收層的方法，其中所述IB、IIIA族二元 或三元硒化物混合粉末為納米級的球形粉和薄片形粉，且其中薄片狀材料所佔體積比不超過 50%。本發明與現有技術相比具有明顯的優點和有益效果。藉由上述技術方案，本發明 非真空製作銅銦鎵硒和/或硫光吸收層的方法可達到相當的技術進步性及實用性，並具有 產業上的廣泛利用價值，其至少具有下列優點1、本發明非真空製作銅銦鎵硒和/或硫光吸收層，在調配銅銦鎵硒和/或硫漿料 時，用溶劑取代表面活性劑和粘接劑；用快速退火熱處理(RTA)取代高溫度下使用氫氣還 原；在快速退火熱處理(RTA)過程中在耐高溫載板上均勻灑布含VI族元素粉，用於在退火 長晶過程中補充銅銦鎵硒和/或硫前驅層中硫或硒揮發的損失。從而達到不使用硒化法， 避免使用危險的硒化氫。2、用快速退火爐取代氫氣還原爐，節省設備成本。3、在退火過程中，以高溫使VIA族顆粒蒸發，形成含VIA族氣氛，使銅銦鎵硒和/ 或硫前驅層成膜時，補充VIA族比例，以達成較佳的光吸收層。4、採用球形粉和薄片形粉製作銅銦鎵硒漿料或銅銦鎵硒(硫)漿料，用以塗布在 鉬層上而形成吸收層，可降低吸收層中的空隙，增加緻密度並提高光吸收特性及光電轉換 效率。上述說明僅是本發明技術方案的概述，為了能更清楚了解本發明的技術手段，而 可依照說明書的內容予以實施，並且為讓本發明的上述和其他目的、特徵和優點能夠更明 顯易懂，以下特舉較佳實施例，並配合附圖，詳細說明如下。


圖1是現有技術的銅銦鎵硒太陽能電池結構示意圖。圖2是本發明非真空製作銅銦鎵硒和/或硫光吸收層的方法步驟圖。圖3是本發明快速退火熱處理(RTA)過程示意圖。
具體實施例方式為更進一步闡述本發明為達成預定發明目的所採取的技術手段及功效，以下結合 附圖及較佳實施例，對依據本發明提出的非真空製作銅銦鎵硒和/或硫光吸收層的方法其具體實施方式
、結構、特徵及其功效，詳細說明如後。有關本發明的前述及其他技術內容、特點及功效，在以下配合附圖的較佳實施例 的詳細說明中將可清楚的呈現。通過具體實施方式
的說明，當可對本發明為達成預定目 的所採取的技術手段及功效得一更加深入且具體的了解，然而附圖僅是提供參考與說明之 用，並非用來對本發明加以限制。請參閱圖2所示，本發明較佳實施例的非真空製作銅銦鎵硒或硫光吸收層的方 法，包括以下步驟首先在步驟(1)中，依據配方比例，混合含IB、IIIA的二成份或三成份硒化物材 料，以形成原始混合粉末，且所述IB族元素包括銅，該IIIA族元素包括銦或鎵或銦鎵混合 材料；上述配方比例所包含的IB、IIIA及VIA族元素之比例，是以摩爾比例表示成 1.0 1.0 2.0，其中IB族元素包括銅，IIIA族元素為銦或鎵或銦鎵混合材料，另外，VIA族元素為硒或硫或硒硫混合材料。因此，原始混合粉末包含銅、銦、鎵及硒，或包含銅、銦、 鎵、硒及硫。(2)添加溶劑至該最後混合粉末中並進行攪拌，形成含有IB、IIIA及VIA族元素 的銅銦鎵硒漿料；該漿料可包含銅、銦、鎵及硒，或可包含銅、銦、鎵、硒及硫，因此，該漿料可 稱為銅銦鎵硒漿料或銅銦鎵硒(硫)漿料，不過一般習慣稱為銅銦鎵硒漿料。(3)將該漿料塗布在鉬層上，軟烤使溶劑揮發形成光吸收前驅層；所述軟烤是指 在不太高的溫度(高於溶劑揮發溫度)下使溶劑揮發，以避免溶劑揮發過快產生空洞、開裂 等問題。(4)接著以圖3所示的快速退火熱處理爐，使前述前驅層退火長晶，具體作法為將 含銅銦鎵硒和/或硫前驅層的基板1反置於含均勻灑布VI族元素2的耐高溫載板3上(支 撐未畫出)，一起在快速退火熱處理爐4中退火長晶，以形成含銅銦鎵硒和/或硫的光吸收層。所述光吸收層中IB、IIIA及VIA族元素的摩爾比例等於1.0 1.0 2.0。所述二成份硒化物為二銅化硒(Cu2Se)、一銅化硒(CuSe)、二銦化三硒(In2Se3)、 二鎵化三硒(Ga2Se3)、銦化硒(InSe)、鎵化硒(GaSe)其中之一。所述灑布於耐高溫載板上的VI族元素為硒粉、硫粉或混合硒粉和硫粉。所述三成份硒化物可為硒化銅銦(CuInSe)或硒化銅鎵(CuGaSe)其中之一。所述溶劑包括醇類、醚類、酮類或混合所述二種以上溶劑的至少其中之一。所述IB、IIIA族二元或三元硒化物混合粉末為納米級的球形粉和納米級薄片形粉，且其中薄片狀材料所佔體積比不超過50 %。以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明作任何形式上的限制，雖 然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本發明，任何熟悉本專業的技術人 員，在不脫離本發明技術方案範圍內，當可利用上述揭示的技術內容作出些許更動或修飾 為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質 對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。
權利要求
一種非真空製作銅銦鎵硒和/或硫光吸收層的方法，其特徵在於包括(1)依據配方比例，混合含IB、IIIA的二成份或三成份硒化物材料，以形成原始混合粉末，且該IB族元素包括銅，該IIIA族元素包括銦或鎵或銦鎵混合材料；(2)添加溶劑至該最後混合粉末中並進行攪拌，形成含有IB、IIIA及VIA族元素的銅銦鎵硒漿料；(3)將該漿料塗布在鉬層上，軟烤使溶劑揮發形成光吸收前驅層；(4)再將含銅銦鎵硒和/或硫前驅層的基板反置於含均勻灑布VI族元素的耐高溫載板上，一起在快速退火熱處理爐中退火長晶，以形成含銅銦鎵硒和/或硫的光吸收層。
2.根據權利要求1所述的非真空製作銅銦鎵硒和/或硫光吸收層的方法，其特徵在於 所述光吸收層中IB、IIIA及VIA族元素的摩爾比例等於1.0 1.0 2.0。
3.根據權利要求1所述的非真空製作銅銦鎵硒和/或硫光吸收層的方法，其特徵在於 所述二成份硒化物為二銅化硒、一銅化硒、二銦化三硒、二鎵化三硒、銦化硒、鎵化硒其中之一
4.根據權利要求1所述的非真空製作銅銦鎵硒和/或硫光吸收層的方法，其特徵在於 所述灑布於耐高溫載板上的VI族元素為硒粉、硫粉或混合硒粉和硫粉。
5.根據權利要求1所述的非真空製作銅銦鎵硒和/或硫光吸收層的方法，其特徵在於 所述三成份硒化物可為硒化銅銦(CuInSe)或硒化銅鎵(CuGaSe)其中之一。
6.根據權利要求1所述的非真空製作銅銦鎵硒和/或硫光吸收層的方法，其特徵在於 所述溶劑包括醇類、醚類、酮類或混合所述二種以上溶劑的至少其中之一。
7 根據權利要求1所述的非真空製作銅銦鎵硒和/或硫光吸收層的方法，其特徵在於 所述IB、IIIA族二元或三元硒化物混合粉末為納米級的球形粉和薄片形粉，且其中薄片狀 材料所佔體積比不超過50 %。
全文摘要
本發明涉及一種銅銦鎵硒和/或硫光吸收層的製作方法，特別是一種非真空製作銅銦鎵硒和/或硫光吸收層的方法，包括(1)依據配方比例，混合含IB、IIIA的二成份或三成份硒化物材料，形成原始混合粉末；混合粉末為納米級的球形粉和薄片形粉；(2)添加溶劑攪拌，形成漿料；(3)將該漿料塗布在鉬層上，軟烤形成光吸收前驅層；(4)將含銅銦鎵硒和/或硫前驅層的基板反置於含均勻灑布VI族元素的耐高溫載板上，在快速退火熱處理爐中退火長晶，形成光吸收層。避免使用危險的硒化氫；設備成本低；所形成的光吸收層緻密，光吸收特性好，光電轉換效率高。
文檔編號H01L31/18GK101820030SQ20101011149
公開日2010年9月1日 申請日期2010年2月11日 優先權日2010年2月11日
發明者楊益郎, 林群福, 陳文仁 申請人:崑山正富機械工業有限公司