一種用於太陽能電池吸收層的銅銦鎵硒薄膜的製備方法與流程
2023-09-16 03:42:15 1
本發明屬於光伏與薄膜太陽能電池領域，具體涉及一種用於太陽能電池吸收層的銅銦鎵硒薄膜的製備方法。
背景技術：
隨著經濟社會的發展，人們對能源的需求也與日俱增。由於常規礦物能源如煤炭、石油和天然氣儲量有限，且在使用過程中會產生大量的CO2等溫室氣體和大量粉塵，對人類賴以生存的自然環境造成嚴重破壞。由於太陽能取之不盡、用之不竭、清潔無汙染，是最理想、最可持續的可再生清潔能源。目前矽基太陽能電池已經商業化使用，但它存在發電成本較高的問題。目前光伏行業的發展趨勢是大力發展薄膜太陽能電池，因為它具有節省材料、重量輕、柔性、運輸成本低等優勢。在諸多的薄膜光伏技術中，黃銅礦結構的薄膜太陽能電池（CIGS）是目前效率唯一可以和單晶矽太陽能電池相比的薄膜太陽能電池；另外其薄膜化的特點是單晶矽無法比擬的，具有廣闊的應用前景。CIGS實驗室效率目前可以達到21.7%，2011年瑞士的材料實驗所Empa在聚醯亞胺基底上製備CIGS電池,創造出18.7%的效率，預示著CIGS在柔性基底上的廣闊的應用前景。CIGS是太陽能電池材料體系中能夠同時兼顧高效率和低成本的、最好的和最現實的體系。CIGS光吸收層薄膜的主要製備方法是液相法、多源共蒸發法和磁控濺射法。用共蒸發法製備的CIGS器件的光電轉換效率已經達到21.7%，是目前CIGS薄膜太陽能電池的最高轉換效率。然而共蒸發法存在對工藝要求高、良品率低、原料利用率低的不利於工業化生產的缺點。相對而言，磁控濺射金屬預製層後硒化的工藝路線可大面積製備CIGS薄膜，另外，濺射法製備的前驅體薄膜緻密性高、組分均勻性好、元素的化學配比可調。通常該技術路徑採用分步多次濺射的方法，首先濺射得到層狀結構的Cu-In-Ga合金預製層，該技術路徑存在由於In元素的團聚導致的預製層薄膜均勻性不足的問題，使得該技術路徑所組配的電池器件效率較低。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種簡單、方便、可大規模工業化生產的用於太陽能電池吸收層的銅銦鎵硒薄膜的製備方法。為實現上述目的，本發明採用的技術方案是，一種用於太陽能電池吸收層的銅銦鎵硒薄膜的製備方法，包括以下步驟：①在鍍鉬的鈉鈣玻璃基底上製備銅銦鎵預置層；②將銅銦鎵預置層放入快速退火爐中，25-30s內升溫至280~285℃，保溫20-30min，然後採用固態硒源在560-565℃下硒化20~30min，自然冷卻至室溫，即可得到銅銦鎵硒薄膜。優選的，所述銅銦鎵預置層採用直流磁控共濺射法製備，具體過程如下：將鍍鉬的鈉鈣玻璃放入磁控濺射腔室中，共濺射CuIn合金靶和CuGa合金靶製備銅銦鎵預置層，本底真空為4~5×10-4Pa，氬氣流量20~25sccm，基底轉速15~20rpm，工作真空0.7~0.8Pa，CuIn合金靶的濺射功率為90W，CuGa合金靶的濺射功率為20W，濺射時間60min。優選的，CuIn合金靶的原子數比為Cu:In=1:4，CuGa合金靶的原子數比例Cu:Ga=4:1。本發明產生的有益效果是：與傳統的分步濺射層狀金屬預製層不同，本發明利用直流磁控共濺射技術在濺射有鉬（Mo）的玻璃基底上濺射特定比例的CuxIn1-x和CuxGa1-x合金靶，得到Cu-In-Ga的混合金屬預製層，通過後期特定工藝條件下的高溫快速硒化處理，成功製備了高質量的CIGS（銅銦鎵硒）吸收層材料；利用該CIGS吸收層材料組配的CIGS薄膜光伏器件，轉換效率在11%以上。附圖說明圖1為實施例1製備得到的銅銦鎵預置層的表面形貌圖，表面緻密；圖2為實施例1製備得到的銅銦鎵預置層的截面結構圖，厚度均一；圖3為實施例1製備得到的銅銦鎵硒薄膜的表面形貌圖，表面緻密平整；圖4為實施例1製備得到的銅銦鎵硒薄膜的截圖結構圖，結晶良好；圖5為採用實施例1製備的銅銦鎵硒薄膜製成的銅銦鎵硒太陽能薄膜電池器件的光電轉換效率測試結果。具體實施方式下面結合具體實施例對本發明作進一步說明，但本發明的保護範圍不限於此。實施例1一種用於太陽能電池吸收層的銅銦鎵硒薄膜的製備方法，包括以下步驟：①在鍍鉬的鈉鈣玻璃基底上製備銅銦鎵預置層；②將銅銦鎵預置層放入快速退火爐中，30s內升溫至280℃，保溫20min，然後採用固態硒源（硒粉）在560℃下硒化30min，自然冷卻至室溫，即可得到銅銦鎵硒薄膜。所述銅銦鎵預置層採用直流磁控共濺射法製備，具體過程如下：將鍍鉬的鈉鈣玻璃基底放入磁控濺射腔室中，共濺射CuIn合金靶和CuGa合金靶製備銅銦鎵預置層，本底真空為4×10-4Pa，氬氣流量25sccm（標況毫升每分），基底轉速20rpm，工作真空0.8Pa，CuIn合金靶的濺射功率為90W，CuGa合金靶的濺射功率為20W，濺射總時間60min（每濺射20min間隔10min以避免靶材過熱）；CuIn合金靶的原子數比為Cu:In=1:4，CuGa合金靶的原子數比為Cu:Ga=4:1。將實施例1製備得到的銅銦鎵硒薄膜上用化學水浴法（CBD）生長一層50nm厚度的CdS薄膜，然後磁控濺射法沉積ZnO和ITO薄膜，最後將樣品放入掩模板中，採用真空蒸鍍的方法蒸上一層Ag電極，得到完整的銅銦鎵硒太陽能薄膜電池器件（這些方法都是現有技術，在此不再贅述）。本實施例中製備得到的銅銦鎵預置層的表面形貌圖如圖1所示，銅銦鎵預置層的截面結構圖如圖2所示，由圖1－2可以看出，製備的銅銦鎵預置層表面均勻，有小鼓包，截面可見柱狀結構；製備的銅銦鎵硒薄膜的表面形貌圖如圖3所示，銅銦鎵硒薄膜的截面結構圖如圖4所示，銅銦鎵預置層硒化後得到銅銦鎵硒薄膜表面平整，均勻性好，厚度約為1.5μm；製得的銅銦鎵硒太陽能薄膜電池器件其J-V測試結果如圖5所示，證實該發明構築的CIGS（銅銦鎵硒）薄膜光伏器件具有較高的光電轉換效率（>11%）。實施例2一種用於太陽能電池吸收層的銅銦鎵硒薄膜的製備方法，包括以下步驟：①在鍍鉬的鈉鈣玻璃基底上製備銅銦鎵預置層；②將銅銦鎵預置層放入快速退火爐中，25s內升溫至285℃，保溫30min，然後採用固態硒源（硒粉）在565℃下硒化20min，自然冷卻至室溫，即可得到銅銦鎵硒薄膜。所述銅銦鎵預置層採用直流磁控共濺射法製備，具體過程如下：將鍍鉬的鈉鈣玻璃基底放入磁控濺射腔室中，共濺射CuIn合金靶和CuGa合金靶製備銅銦鎵預置層，本底真空為5×10-4Pa，氬氣流量20sccm，基底轉速15rpm，工作真空0.7Pa，CuIn合金靶的濺射功率為90W，CuGa合金靶的濺射功率為20W，濺射總時間60min（每濺射20min間隔10min以避免靶材過熱）。CuIn合金靶的原子數比為Cu:In=1:4，CuGa合金靶的原子數比例Cu:Ga=4:1。實施例3一種用於太陽能電池吸收層的銅銦鎵硒薄膜的製備方法，包括以下步驟：①在鍍鉬的鈉鈣玻璃基底上製備銅銦鎵預置層；②將銅銦鎵預置層放入快速退火爐中，25s內升溫至285℃，保溫25min，然後採用固態硒源（硒粉）在560℃下硒化25min，自然冷卻至室溫，即可得到銅銦鎵硒薄膜。所述銅銦鎵預置層採用直流磁控共濺射法製備，具體過程如下：將鍍鉬的鈉鈣玻璃基底放入磁控濺射腔室中，共濺射CuIn合金靶和CuGa合金靶製備銅銦鎵預置層，本底真空為4×10-4Pa，氬氣流量20sccm，基底轉速15rpm，工作真空0.7Pa，CuIn合金靶的濺射功率為90W，CuGa合金靶的濺射功率為20W，濺射總時間60min（每濺射20min間隔10min以避免靶材過熱）。CuIn合金靶的原子數比為Cu:In=1:4，CuGa合金靶的原子數比例Cu:Ga=4:1。