專利名稱：銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的光吸收層的制備方法
銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的光吸收層的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉太陽能電池技術(shù)，特別是涉及至少一種銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的光吸收層的制備方法。
背景技術(shù)：
銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的典型結(jié)構(gòu)為多層膜結(jié)構(gòu)，從入光面開始，依次包括金屬柵極層(Al)/透明電極層(AZO)/窗口層(ZnO)/緩沖層(CdS)/光吸收層(CIGS)/背電極層(Mo)/玻璃。其中光吸收層可以使用銅、銦、鎵和硒的四源高溫共蒸發(fā)工藝獲得，為了保證入射光的充分吸收，吸收層的厚度一般大于2 μ m。在銅銦鎵硒薄膜電池的發(fā)展過程中，研究人員發(fā)現(xiàn)在CIGS光吸收層中引入梯度帶隙，可以有效的改善電池器件的電學(xué)性質(zhì)。這是因為梯度帶隙產(chǎn)生的電勢差將光生載流子驅(qū)離高復(fù)合區(qū)域，比如背電極和吸收層的界面，以及吸收層和緩沖層之間的節(jié)區(qū)，從而提高太陽能電池的短路電流。梯度帶隙來源于銅銦鎵硒薄膜中不同區(qū)域rtfe/an+Ga)比例值不同，&/ (In+Ga)比例高的區(qū)域，帶隙寬；[Ga/(In+Ga)比例低的區(qū)域，帶隙窄。這是因為CuInSe2 的禁帶寬度為1. 04eV，而Cufe^e2的禁帶寬度為1. 68eV，當(dāng)Ga/(In+Ga)比例值在吸收層兩側(cè)高，中間低，就產(chǎn)生了梯度帶隙。在制膜的過程中，Ga原子和h原子的振動幅度不同。一般來講，膜內(nèi)( 的振動不好，In的振動好，更加利于擴散。所以^在薄膜內(nèi)的擴散性能比( 的好，在傳統(tǒng)的CIGS 光吸收層的蒸發(fā)工藝中，通過分階段控制蒸發(fā)銅銦鎵硒不同元素之間的比例和工藝時間， 再通過較高襯底溫度下的元素擴散，來粗略地實現(xiàn)的V型雙梯度帶隙。但是，傳統(tǒng)的工藝不能精確地實現(xiàn)理論設(shè)計的能帶結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容基于此，有必要提供一種能夠精確地實現(xiàn)理論設(shè)計的能帶結(jié)構(gòu)的銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的光吸收層的制備方法。一種銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的光吸收層的制備方法，將銅、銦、鎵和硒四種單質(zhì)分別蒸發(fā)沉積到襯底上，控制鎵蒸發(fā)溫度在900°C 1100°C內(nèi)并且在蒸發(fā)過程中先均勻降溫35°C 45°C再均勻升溫35°C 45°C ；控制銦的蒸發(fā)溫度在800°C 1000°C內(nèi)并且在蒸發(fā)過程中先均勻升溫45°C 55°C再均勻降溫45°C 55°C，從而主動控制鎵和銦的蒸發(fā)量使得所述光吸收層在厚度方向上兩側(cè)的鎵含量高于中間的鎵含量。優(yōu)選的，所述蒸發(fā)過程中包括三個階段第一階段控制襯底溫度在200°C 300°C，控制鎵的蒸發(fā)溫度為900°C 1100°C 之間并在第一階段均勻地降溫35°C 45°C，控制銦的蒸發(fā)溫度為800°C 1000°C之間并在第一階段均勻地升溫45°C 55°C，控制硒的蒸發(fā)溫度在200°C 300°C之間；第一階段的蒸發(fā)時間為IOmin 20min，第一階段結(jié)束后在所述襯底的一個表面形成第一光吸收層；
第二階段停止蒸發(fā)銦和鎵，提高襯底溫度在450°C 600°C之間，維持硒的蒸發(fā)溫度與第一階段相同，控制銅的蒸發(fā)溫度在1300°C 1500°C之間；第二階段的蒸發(fā)時間為 IOmin 30min，并在沉積中的襯底的表面溫度突然下降時立即停止蒸發(fā)；第二階段結(jié)束后在所述第一光吸收層的表面形成第二光吸收層；第三階段停止蒸發(fā)銅，維持襯底溫度與第二階段相同，維持硒的蒸發(fā)溫度與第二階段相同，控制鎵的蒸發(fā)溫度為900°C 1100°C并在第三階段均勻地升溫35°C 45°C，控制銦的蒸發(fā)溫度為800°C 1000°C并在第三階段均勻地降溫45°C 55°C;第三階段的蒸發(fā)時間為Imin 3min，第三階段結(jié)束后在所述第二光吸收層的表面形成第三光吸收層，從而得到所述銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的光吸收層。優(yōu)選的，第一階段，鎵的蒸發(fā)溫度降低40°C，銦的蒸發(fā)溫度升高50°C ；第三階段，鎵的蒸發(fā)溫度升高40°C，銦的蒸發(fā)溫度降低50°C。優(yōu)選的，所述蒸發(fā)過程包括二個階段第一階段、控制襯底溫度在450°C 600°C，控制鎵的蒸發(fā)溫度為900°C 1100°C 并在第一階段均勻地降溫35°C 45°C，控制銦的蒸發(fā)溫度為800°C 1000°C并在第一階段均勻地升溫45°C 55°C，控制硒的蒸發(fā)溫度在200°C 300°C，控制銅的蒸發(fā)溫度在 1300°C 1500°C之間；第一階段的蒸發(fā)時間為Smin 12min，第一階段結(jié)束后在所述襯底的一個表面形成光吸收層I ；第二階段維持襯底溫度與第一階段相同，維持硒的蒸發(fā)溫度與第一階段相同，維持銅的蒸發(fā)溫度與第一階段相同，控制鎵的初始蒸發(fā)溫度為第一階段結(jié)束時的溫度并在第二階段均勻地升溫35°C 45°C，控制銦的初始蒸發(fā)溫度為第一階段結(jié)束時的溫度并在第二階段均勻地降溫45°C 55°C ；第二階段的蒸發(fā)時間為Imin ;3min，第二階段結(jié)束后在所述光吸收層I的表面形成光吸收層II，從而得到所述銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的光吸收層。優(yōu)選的，第一階段，鎵的蒸發(fā)溫度降低40°C，銦的蒸發(fā)溫度升高50°C ；第二階段，鎵的蒸發(fā)溫度升高45°C，銦的蒸發(fā)溫度降低55°C。優(yōu)選的，所述襯底為沉積有導(dǎo)電層的導(dǎo)電玻璃，所述光吸收層沉積在所述導(dǎo)電層表面。優(yōu)選的，銅、銦、鎵和硒四種單質(zhì)分別采用獨立加熱部件控制加熱。優(yōu)選的，蒸發(fā)過程中，分別實時監(jiān)測銅、銦、鎵和硒四種蒸發(fā)源的蒸發(fā)溫度并通過監(jiān)測結(jié)果反饋調(diào)節(jié)控制蒸發(fā)溫度。優(yōu)選的，蒸發(fā)過程中，分別實時監(jiān)測銅、銦、鎵和硒四種元素的蒸發(fā)速率并通過監(jiān)測結(jié)果反饋調(diào)節(jié)控制蒸發(fā)溫度。優(yōu)選的，蒸發(fā)過程中，分別實時監(jiān)測襯底上的銅、銦、鎵和硒四種元素的蒸發(fā)量并通過監(jiān)測結(jié)果反饋調(diào)節(jié)控制蒸發(fā)溫度。這種銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的光吸收層的制備方法通過控制銅、銦、鎵和硒四種單質(zhì)分別在不同的溫度下分階段蒸發(fā)，控制鎵和銦的蒸發(fā)溫度在一定時間內(nèi)均勻改變， 從而主動控制鎵和銦的蒸發(fā)量使得光吸收層兩側(cè)鎵含量略高中間鎵含量略低。由于精確控制元素蒸發(fā)速率隨時間變化，可以精確地控制CIGS的能帶結(jié)構(gòu)，能夠精確地實現(xiàn)理論設(shè)計的能帶結(jié)構(gòu)。
圖1為銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的典型多層膜結(jié)構(gòu)；圖2為光吸收層的梯度帶隙示意圖；圖3為是h和( 元素隨溫度變化的蒸發(fā)特性示意圖；圖4為一種CIGS吸收層的蒸發(fā)工藝流程示意圖；圖5為另一種CIGS吸收層的蒸發(fā)工藝流程示意圖。
具體實施方式
以下通過附圖和具體實施例對銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的光吸收層的制備方法做進一步說明。如圖1所示的銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的典型多層膜結(jié)構(gòu)，從入光面開始，依次包括金屬柵極層(Al)、透明電極層(AZO)、窗口層(ZnO)、緩沖層(CdS)、光吸收層(CIGS)、 背電極層(Mo)和玻璃。玻璃可以為鈉鈣玻璃襯底或其他柔性材料襯底(金屬不銹鋼箔、鈦箔和聚酰亞胺
寸乂 O背電極層的材質(zhì)可以為鉬，一般采用磁控濺射的方法在玻璃上沉積鉬而成。緩沖層的材質(zhì)可以為硫化鎘(cadmium sulfide, CdS)，用于減緩光吸收層和窗口層之間晶格匹配不好而影響電池輸出性能的問題，同時能有效地阻止窗口層制備過程中對光吸收層的損傷，可消除由此引起的電池短路現(xiàn)象。窗口層的材質(zhì)可以為氧化鋅(ZnO)，用于防止銅銦鎵硒薄膜太陽能電池發(fā)電時，因漏電問題導(dǎo)致器件性能下降。透明電極層的材質(zhì)可以為摻雜鋁的氧化鋅(AZO)。金屬柵電極層的材質(zhì)可以為鋁(Al)，還可以為鋁和鎳的合金，一般可采用電子束蒸發(fā)法制備。光吸收層一般采用銅、銦、鎵和硒的四源高溫共蒸發(fā)工藝獲得。圖2為的光吸收層的梯度帶隙示意圖。梯度帶隙來源于銅銦鎵硒薄膜中不同區(qū)域rtfe/an+Ga)比例值不同，&/ (In+Ga)比例高的區(qū)域，帶隙寬；[Ga/(In+Ga)比例低的區(qū)域，帶隙窄。這是因為CuInSe2 的禁帶寬度為1. (MeV，而CufeiSh的禁帶寬度為1.68eV。在銅銦鎵硒薄膜中，當(dāng)Ga/ (In+Ga)比例值在吸收層兩側(cè)高，中間低，就產(chǎn)生了梯度帶隙。在傳統(tǒng)的CIGS光吸收層的蒸發(fā)工藝中，通過控制三個階段中蒸發(fā)的元素之間的比例和工藝時間，再通過較高襯底溫度下的元素擴散，可以粗略地實現(xiàn)的V型雙梯度帶隙。 但是，傳統(tǒng)的工藝不能精確地實現(xiàn)理論設(shè)計的能帶結(jié)構(gòu)。為了能夠精確的實現(xiàn)理論設(shè)計的能帶結(jié)構(gòu)，得到精確控制的V型雙梯度帶隙的光吸收層，我們提出主動控制光吸收層中銅、銦、鎵和硒的比例的方法。圖3為是h和( 元素隨溫度變化的蒸發(fā)特性示意圖。不同蒸發(fā)速率下的蒸發(fā)流量一般用束流規(guī)來測量，在本底真空下，因為某一種物質(zhì)的蒸發(fā)而導(dǎo)致真空度的改變，就可以用于表示該物質(zhì)的蒸發(fā)量。
In的原子序號為49，熔點157°C，沸點2000°C，在大約550°C 1250°C之間蒸發(fā)量和溫度具有近似線性關(guān)系。實踐中，當(dāng)h的蒸發(fā)源被加熱到800°C 1000°C之間的某一個溫度時，蒸發(fā)源的溫度變化約70°C時，真空度從1. 1\10_4變化到3.6\10_4。這意味著蒸發(fā)量有近似3倍的變化，完全可以滿足對^的蒸發(fā)量的控制的要求。Ga的原子序號31，熔點30°C，沸點M00°C，在大約650°C 1450°C之間蒸發(fā)量和溫度具有近似線性的關(guān)系。實踐中，當(dāng)( 的蒸發(fā)源被加熱到900°C 1100°C之間的某一個溫度時，當(dāng)蒸發(fā)源的溫度變化約40°C時，真空度從1.4X10—4變化到2. 1X10—4。這意味著蒸發(fā)量有近似2倍的變化，可以滿足對( 的蒸發(fā)量的控制的要求。當(dāng)溫度的變化范圍較小時，可以近似地認為( 和h的蒸發(fā)量根據(jù)溫度呈現(xiàn)線性變化。本發(fā)明提供的一種銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的光吸收層的制備方法，將銅、銦、鎵和硒四種單質(zhì)分別蒸發(fā)沉積到襯底上，控制鎵蒸發(fā)溫度在900°C 1100°C內(nèi)先均勻降溫 35°C 45°C再均勻升溫35°C 45°C，控制銦的蒸發(fā)溫度在800°C 1000°C內(nèi)先均勻升溫 45°C 55°C再均勻降溫45°C 55°C，從而主動控制鎵和銦的蒸發(fā)量使得所述光吸收層兩側(cè)鎵含量略高中間鎵含量略低。這種銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的光吸收層的制備方法通過控制銅、銦、鎵和硒四種單質(zhì)分別在不同的溫度下分階段蒸發(fā)，控制鎵和銦的蒸發(fā)溫度在一定時間內(nèi)均勻改變， 從而主動控制鎵和銦的蒸發(fā)量使得光吸收層兩側(cè)鎵含量略高中間鎵含量略低。由于精確控制元素蒸發(fā)速率隨時間變化，可以精確地控制CIGS的能帶結(jié)構(gòu)，能夠精確地實現(xiàn)理論設(shè)計的能帶結(jié)構(gòu)。蒸發(fā)過程可以采取多種具體實施方式
，下面僅以如下兩種為例。第一種蒸發(fā)過程，包括三個階段第一階段、控制襯底溫度在200°C 300°C，控制鎵的蒸發(fā)溫度為900°C 1100°C 之間并在第一階段均勻地降溫35°C 45°C，控制銦的蒸發(fā)溫度為800°C 1000°C之間并在第一階段均勻地升溫45°C 55°C，控制硒的蒸發(fā)溫度在200°C 300°C之間；第一階段的蒸發(fā)時間為IOmin 20min，第一階段結(jié)束后在襯底的一個表面形成第一光吸收層。第二階段停止蒸發(fā)銦和鎵，提高襯底溫度在450°C 600°C之間，維持硒的蒸發(fā)溫度與第一階段相同，控制銅的蒸發(fā)溫度在1300°C 1500°C之間；第二階段的蒸發(fā)時間為 IOmin 30min，并在沉積中的襯底的表面溫度突然下降時立即停止蒸發(fā)；第二階段結(jié)束后在所述第一光吸收層的表面形成第二光吸收層。在這個階段的Cu的蒸發(fā)過程中，實時觀測襯底表面的溫度，當(dāng)襯底的表面溫度突然下降時立即停止蒸發(fā)。這是由于當(dāng)Cu的不斷加入正在沉積的薄膜中時，在襯底的表面溫度的轉(zhuǎn)變點前后，薄膜的成份由CIGS的銅不足的狀態(tài)突然轉(zhuǎn)換到銅過量的狀態(tài)，呈現(xiàn)一種 CIGS和CuxSe的混合相，襯底表面出現(xiàn)液態(tài)的Cude相，這種硒化亞銅會輻射更多的熱量， 導(dǎo)致襯底的表面溫度下降。第三階段停止蒸發(fā)銅，維持襯底溫度與第二階段相同，維持硒的蒸發(fā)溫度與第二階段相同，控制鎵的蒸發(fā)溫度為900°C 1100°C并在第三階段均勻地升溫35°C 45°C，控制銦的蒸發(fā)溫度為800°C 1000°C并在第三階段均勻地降溫45°C 55°C;第三階段的蒸發(fā)時間為Imin 3min，第三階段結(jié)束后在所述第二光吸收層的表面形成第三光吸收層，從而得到所述銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的光吸收層。蒸發(fā)過程中，％始終蒸發(fā)并且保持過量(由溫度控制)，這是因為在％蒸氣的氛圍中進行反應(yīng)，有利于CIGS的化合物的生長。圖4為上述CIGS吸收層的蒸發(fā)工藝流程示意圖，在蒸發(fā)過程中，對應(yīng)的銦鎵比例大致為第一階段，[Ga/(In+Ga)] = 0. 5 (t = 0)下降至Ga/(In+Ga) ] = 0. 24(t = tl)。 第三階段，Ga/ (In+Ga) ] = 0. 2 (t = t2)上升至IjGa/ (In+Ga)=0· 3 (t = t3)。襯底為沉積有導(dǎo)電層的導(dǎo)電玻璃，第一光吸收層沉積在導(dǎo)電層表面。導(dǎo)電層材質(zhì)優(yōu)選為鉬。^和( 分成前后2次集中蒸發(fā)，蒸發(fā)過程中通過計算機控制束源爐的溫度來實現(xiàn)流量的變化。In和( 的遷移能力和結(jié)合能力不同。一般情況下，在銅銦鎵硒光吸收層中，銦的遷移能力比鎵強，更有利于擴散，其在光吸收層中的擴散性能比鎵好。光吸收層的制備過程中，利用銦和鎵的濃度梯度與它們擴散系數(shù)的不同，ife/an+Ga)比值在吸收層兩側(cè)高， 中間低，就產(chǎn)生了梯度帶隙。上述光吸收層的制備方法，通過控制Cu的蒸發(fā)來控制基片上已經(jīng)沉積的各種元素的相互反應(yīng)和擴散，實現(xiàn)最終的最優(yōu)化的V字型的梯度帶隙結(jié)構(gòu)，并控制( 達到最低濃度在薄膜中的位置。在蒸發(fā)沉積過程中，襯底的溫度對銅銦鎵硒薄膜的質(zhì)量存在一定的影響。在本實施方式中，當(dāng)襯底的溫度維持在450°C 600°C時，有利于形成較大的銅銦鎵硒結(jié)晶顆粒， 使得光吸收層的表面較為平整，與鉬背電極層有良好的附著性，與CdS緩沖層的結(jié)合性也較好。第二種蒸發(fā)過程，包括二個階段第一階段、控制襯底溫度在450°C 600°C，控制鎵的蒸發(fā)溫度為900°C 1100°C 并在第一階段均勻地降溫35°C 45°C，控制銦的蒸發(fā)溫度為800°C 1000°C并在第一階段均勻地升溫45°C 55°C，控制硒的蒸發(fā)溫度在200°C 300°C，控制銅的蒸發(fā)溫度在 1300°C 1500°C之間；第一階段的蒸發(fā)時間為Smin 12min，第一階段結(jié)束后在所述襯底的一個表面形成光吸收層I。第二階段維持襯底溫度與第一階段相同，維持硒的蒸發(fā)溫度與第一階段相同，維持銅的蒸發(fā)溫度與第一階段相同，控制鎵的初始蒸發(fā)溫度為第一階段結(jié)束時的溫度并在第二階段均勻地升溫35°C 45°C，控制銦的初始蒸發(fā)溫度為第一階段結(jié)束時的溫度并在第二階段均勻地降溫45°C 55°C ；第二階段的蒸發(fā)時間為Imin ;3min，第二階段結(jié)束后在所述光吸收層I的表面形成光吸收層II，從而得到所述銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的光吸收層。蒸發(fā)過程中，％始終蒸發(fā)并且保持過量，這是因為在％蒸氣的氛圍中進行反應(yīng)， 有利于CIGS的化合物的生長。襯底為沉積有導(dǎo)電層的導(dǎo)電玻璃，第一光吸收層沉積在所述導(dǎo)電層表面。導(dǎo)電層材質(zhì)優(yōu)選為鉬。圖5為上述CIGS吸收層的蒸發(fā)工藝流程示意圖，在蒸發(fā)過程中，對應(yīng)的銦鎵比例大致為
第一階段，Ga/an+Ga)=0.37 (t = 0)下降至Ga/Qn+Ga)=0. 25 (t = tl)。 第二階段，Ga/ (In+Ga) ] = 0. 25 (t = tl)上升至IjGa/ (In+Ga)=0. 4 (t = t2)。這種光吸收層的制備方法利用在不同的溫度下，不同的元素對應(yīng)著不同的蒸發(fā)速率(對應(yīng)著不同蒸氣壓)，實現(xiàn)元素的蒸發(fā)沉積速率的控制。最終，通過在生長過程中主動控制Ga/(In+Ga)的比例變化，來實現(xiàn)光吸收層薄膜中預(yù)期的禁帶寬度分布，形成梯度帶隙。蒸發(fā)過程中，銅銦鎵硒四種元素分別采用獨立加熱控制部件，以便能很好地控制銅銦鎵硒四種元素的蒸發(fā)溫度，從而精確地控制其蒸發(fā)速率。其中加熱電源可以采用PID( proportional-integral-derivative controller,比例積分微商控制器)溫度反饋系統(tǒng)， 蒸發(fā)裝置可以采用MBE (分子束外延)束源爐、線性蒸發(fā)器或蒸發(fā)舟。分別實時監(jiān)測四種蒸發(fā)源的蒸發(fā)溫度，并通過監(jiān)測結(jié)果反饋調(diào)節(jié)控制蒸發(fā)溫度。為了能更精確控制銦和鎵的含量，在蒸發(fā)過程中分別實時監(jiān)測銅、銦、鎵和硒四個蒸發(fā)源的蒸發(fā)量，以便能通過監(jiān)測結(jié)果反饋調(diào)節(jié)控制蒸發(fā)溫度，從而調(diào)整蒸發(fā)速率以精確控制沉積速度變化，實現(xiàn)生長的銅銦鎵硒薄膜中不同元素之間的比例。本實施方式中采用束流真空規(guī)進行實時監(jiān)測。銦和鎵的蒸發(fā)量的變化，通過調(diào)整蒸發(fā)源的溫度實現(xiàn)，從而控制蒸發(fā)速率。但由于蒸發(fā)源的熱源機制的影響，當(dāng)加熱電源調(diào)整的時候，束源爐的溫度變化要滯后一個時間段才能穩(wěn)定在新的溫度上，蒸發(fā)速率也往往要滯后一個時間段才能體現(xiàn)出來，為了能夠更精確地調(diào)整蒸發(fā)速率，所以蒸發(fā)過程還實時測定束源爐的蒸發(fā)量，分別實時監(jiān)控不同的元素的蒸氣濃度，根據(jù)蒸氣濃度來反饋控制蒸發(fā)源的加熱電源，從而控制沉積速度的變化，實現(xiàn)生長的薄膜中不同的元素之間的比例。在本實施方式中，采用共振吸收法實時測定束源爐的蒸發(fā)量。在蒸發(fā)過程中，還可以實時測量在襯底上(ia/an+Ga)的沉積比例，并即時反饋到相應(yīng)的銦和鎵元素的蒸發(fā)控制系統(tǒng)的束源加熱電源，用于調(diào)節(jié)銦和鎵的蒸發(fā)溫度。這樣能夠避免環(huán)境擾動對蒸發(fā)沉積比例的影響，重復(fù)性好。在本實施方式中，采用共振吸收法測定在襯底上Ga/dn+Ga)的沉積比例。在蒸發(fā)過程中，還可以采用例如速流規(guī)、晶體振蕩器、XRF、電子能譜等實時監(jiān)測系統(tǒng)，實時測量在襯底上Ga/(In+Ga)的沉積比例；并及時反饋到相應(yīng)的銦和鎵元素的蒸發(fā)控制系統(tǒng)的束源加熱電源，用于調(diào)節(jié)銦和鎵的蒸發(fā)溫度。這樣能避免環(huán)境擾動對蒸發(fā)沉積比例的影響，重復(fù)性好。由于主動控制了沉積到薄膜中不同厚度處的各種元素之間的不同配比，獲得更加理想的梯度帶隙。上述制備方法不依賴于襯底溫度，簡化了工藝參數(shù)的相互關(guān)系，有利于提高產(chǎn)品的成品率，且可控性好、重復(fù)性高，有利于大規(guī)模生產(chǎn)中的工藝控制。以下為具體實施例。實施例1第一階段、提供表面鍍有Mo層的鈣鈉玻璃作為襯底，控制襯底溫度不變并保持在 250°C，銦的蒸發(fā)溫度為900°C并在第一階段均勻地升溫50°C，鎵的蒸發(fā)溫度為1000°C并在第一階段均勻地降溫40°C，控制硒的蒸發(fā)溫度不變并保持在250°C ；第一階段的蒸發(fā)時間為15min，第一階段結(jié)束后在Mo層上形成第一光吸收層。第二階段停止蒸發(fā)銦和鎵，提高襯底溫度為500°C之間并保持不變，維持硒的蒸發(fā)溫度與第一階段相同，控制銅的蒸發(fā)溫度不變并保持在1400°C ；第二階段的蒸發(fā)時間約為20min，并在沉積中的襯底的表面溫度突然下降時立即停止蒸發(fā)。第二階段結(jié)束后在所述第一光吸收層的表面形成第二光吸收層。第三階段停止蒸發(fā)銅，維持襯底溫度與第二階段相同，維持硒的蒸發(fā)溫度與第二階段相同，銦的初始蒸發(fā)溫度為950°C并在第三階段均勻地降溫50°C，鎵的初始蒸發(fā)溫度為960°C并在第三階段均勻地升溫40°C ；第三階段的蒸發(fā)時間為2min，第三階段結(jié)束后在所述第二光吸收層的表面形成第三光吸收層，從而得到銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的光吸收層。實施例2第一階段、提供表面鍍有Mo層的鈣鈉玻璃作為襯底，控制襯底溫度不變并保持在 500°C，銦的蒸發(fā)溫度為900°C并在第一階段均勻地升溫50°C，鎵的蒸發(fā)溫度為1000°C并在第一階段均勻地降溫40°C，控制硒的蒸發(fā)溫度不變并保持在250°C，控制銅的蒸發(fā)溫度不變并保持在1400°C ；第一階段的蒸發(fā)時間為lOmin，第一階段結(jié)束后在Mo層上形成光吸收層I。第二階段維持襯底溫度與第一階段相同，維持硒的蒸發(fā)溫度與第一階段相同，維持銅的蒸發(fā)溫度與第一階段相同，控制銦的初始蒸發(fā)溫度為第一階段結(jié)束時的溫度并在第二階段均勻地降溫55°C，控制鎵的初始蒸發(fā)溫度為第一階段結(jié)束時的溫度并在第二階段均勻地升溫45°C ；第二階段的蒸發(fā)時間為2min，第二階段結(jié)束后在光吸收層I的表面形成光吸收層II，從而得到銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的光吸收層。以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。因此，本發(fā)明專利的保護范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準。
權(quán)利要求
1.一種銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的光吸收層的制備方法，其特征在于，將銅、銦、鎵和硒四種單質(zhì)分別蒸發(fā)沉積到襯底上，控制鎵蒸發(fā)溫度在900°C 1100°C內(nèi)并且在蒸發(fā)過程中先均勻降溫35°C 45°C再均勻升溫35°C 45°C ；控制銦的蒸發(fā)溫度在800°C 1000°C 內(nèi)并且在蒸發(fā)過程中先均勻升溫45°C 55°C再均勻降溫45°C 55°C，從而主動控制鎵和銦的蒸發(fā)量使得所述光吸收層在厚度方向上兩側(cè)的鎵含量高于中間的鎵含量。
2.如權(quán)利要求1所述的銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的光吸收層的制備方法，其特征在于，所述蒸發(fā)過程中包括三個階段第一階段控制襯底溫度在200°C 300°C，控制鎵的蒸發(fā)溫度為900°C 1100°C之間并在第一階段均勻地降溫35°C 45°C，控制銦的蒸發(fā)溫度為800°C 1000°C之間并在第一階段均勻地升溫45°C 55°C，控制硒的蒸發(fā)溫度在200°C 300°C之間；第一階段的蒸發(fā)時間為IOmin 20min，第一階段結(jié)束后在所述襯底的一個表面形成第一光吸收層；第二階段停止蒸發(fā)銦和鎵，提高襯底溫度在450°C 600°C之間，維持硒的蒸發(fā)溫度與第一階段相同，控制銅的蒸發(fā)溫度在1300°C 1500°C之間；第二階段的蒸發(fā)時間為 IOmin 30min，并在沉積中的襯底的表面溫度突然下降時立即停止蒸發(fā)；第二階段結(jié)束后在所述第一光吸收層的表面形成第二光吸收層；第三階段停止蒸發(fā)銅，維持襯底溫度與第二階段相同，維持硒的蒸發(fā)溫度與第二階段相同，控制鎵的蒸發(fā)溫度為900°C 1100°C并在第三階段均勻地升溫35°C 45°C，控制銦的蒸發(fā)溫度為800°C 1000°C并在第三階段均勻地降溫45°C 55°C ；第三階段的蒸發(fā)時間為Imin 3min，第三階段結(jié)束后在所述第二光吸收層的表面形成第三光吸收層，從而得到所述銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的光吸收層。
3.如權(quán)利要求2所述的銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的光吸收層的制備方法，其特征在于，第一階段，鎵的蒸發(fā)溫度降低40°C，銦的蒸發(fā)溫度升高50°C ；第三階段，鎵的蒸發(fā)溫度升高40°C，銦的蒸發(fā)溫度降低50°C。
4.如權(quán)利要求1所述的銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的光吸收層的制備方法，其特征在于，所述蒸發(fā)過程包括二個階段第一階段、控制襯底溫度在450°C 600°C，控制鎵的蒸發(fā)溫度為900°C 1100°C并在第一階段均勻地降溫35°C 45°C，控制銦的蒸發(fā)溫度為800°C 1000°C并在第一階段均勻地升溫45°C 55°C，控制硒的蒸發(fā)溫度在200°C 300°C，控制銅的蒸發(fā)溫度在1300°C 1500°C之間；第一階段的蒸發(fā)時間為Smin 12min，第一階段結(jié)束后在所述襯底的一個表面形成光吸收層I ；第二階段維持襯底溫度與第一階段相同，維持硒的蒸發(fā)溫度與第一階段相同，維持銅的蒸發(fā)溫度與第一階段相同，控制鎵的初始蒸發(fā)溫度為第一階段結(jié)束時的溫度并在第二階段均勻地升溫35°C 45°C，控制銦的初始蒸發(fā)溫度為第一階段結(jié)束時的溫度并在第二階段均勻地降溫45°C 55°C ；第二階段的蒸發(fā)時間為Imin ;3min，第二階段結(jié)束后在所述光吸收層I的表面形成光吸收層II，從而得到所述銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的光吸收層。
5.如權(quán)利要求4所述的銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的光吸收層的制備方法，其特征在于，第一階段，鎵的蒸發(fā)溫度降低40°C，銦的蒸發(fā)溫度升高50°C ；第二階段，鎵的蒸發(fā)溫度升高45°C，銦的蒸發(fā)溫度降低55°C。
6.如權(quán)利要求1所述的銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的光吸收層的制備方法，其特征在于，所述襯底為沉積有導(dǎo)電層的導(dǎo)電玻璃，所述光吸收層沉積在所述導(dǎo)電層表面。
7.如權(quán)利要求1所述的銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的光吸收層的制備方法，其特征在于，銅、銦、鎵和硒四種單質(zhì)分別采用獨立加熱部件控制加熱。
8.如權(quán)利要求7所述的銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的光吸收層的制備方法，其特征在于，蒸發(fā)過程中，分別實時監(jiān)測銅、銦、鎵和硒四種蒸發(fā)源的蒸發(fā)溫度并通過監(jiān)測結(jié)果反饋調(diào)節(jié)控制蒸發(fā)溫度。
9.如權(quán)利要求7所述的銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的光吸收層的制備方法，其特征在于，蒸發(fā)過程中，分別實時監(jiān)測銅、銦、鎵和硒四種元素的蒸發(fā)速率并通過監(jiān)測結(jié)果反饋調(diào)節(jié)控制蒸發(fā)溫度。
10.如權(quán)利要求7所述的銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的光吸收層的制備方法，其特征在于，蒸發(fā)過程中，分別實時監(jiān)測襯底上的銅、銦、鎵和硒四種元素的蒸發(fā)量并通過監(jiān)測結(jié)果反饋調(diào)節(jié)控制蒸發(fā)溫度。
全文摘要
本發(fā)明提供至少一種能夠精確地實現(xiàn)理論設(shè)計的能帶結(jié)構(gòu)的銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的光吸收層的制備方法。這種銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的光吸收層的制備方法通過控制銅、銦、鎵和硒四種單質(zhì)分別在不同的溫度下分階段蒸發(fā)，控制鎵和銦的蒸發(fā)溫度在一定時間內(nèi)均勻改變，從而主動控制鎵和銦的蒸發(fā)量使得所述光吸收層兩側(cè)鎵含量略高中間鎵含量略低。由于精確控制元素蒸發(fā)速率隨時間變化，可以精確地控制CIGS的能帶結(jié)構(gòu)，能夠精確地實現(xiàn)理論設(shè)計的能帶結(jié)構(gòu)。
文檔編號C23C14/16GK102418072SQ201110306669
公開日2012年4月18日 申請日期2011年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月11日
發(fā)明者劉壯, 楊春雷, 王曉峰, 肖旭東 申請人:中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院, 香港中文大學(xué)