摻雜鉍化合物的cigs及其摻雜方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及太陽能薄膜電池技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，涉及摻雜鉍化合物的CIGS及其 摻雜方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 銅銦鎵硒（CIGS)作為薄膜太陽能電池應(yīng)用已經(jīng)將近二十年之久，與其他的薄膜 太陽能電池材料相比，其具有吸收光譜寬、能帶可調(diào)節(jié)性高的特點，CIGS是新一代的具有廣 泛應(yīng)用潛力的薄膜太陽能電池材料。如何提高CIGS薄膜太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率，一直是該 技術(shù)的關(guān)鍵問題，因為它直接影響到電池的應(yīng)用成本和商業(yè)價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種摻雜鉍化合物的CIGS及其摻雜方法，該方法工藝流 程簡單、操作靈活，大大提高了 Bi元素在CIGS材料中的摻雜均勻性，利用制備的摻雜鉍化 合物的CIGS可提高CIGS太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
[0004] 在一個方面，本發(fā)明提供了一種CIGS的鉍化合物摻雜方法，包括以下步驟：
[0005] (A)將鉍化合物和CIGS化合物按照所需的摻雜量混合，以獲得混合料；
[0006] (B)將上述混合料進(jìn)行粉碎處理，以獲得粉料；
[0007] (C)將上述粉料進(jìn)行熱壓燒結(jié)，以獲得摻雜鉍化合物的CIGS化合物。
[0008] 優(yōu)選地，步驟（A)中的所述鉍化合物在CIGS化合物中的所需摻雜量為0. lat %~ 5at % 〇
[0009] 優(yōu)選地，步驟（A)中的所述CIGS化合物的化學(xué)式為CuInxGai xSe2，其中x的取值范 圍為0. 6~0. 8。
[0010] 優(yōu)選地，步驟（A)中的所述CIGS化合物通過真空熔煉制備而成。
[0011] 優(yōu)選地，真空熔煉所述CIGS化合物包括以下步驟：
[0012] 1)將Cu、In、Ga、Se按照l:y: (1-y) :2的摩爾比在第一真空設(shè)備中進(jìn)行混合，y的 取值范圍為0.6~0.8,該第一真空設(shè)備內(nèi)的真空度為IX 10 3~4X10 3Pa;
[0013] 2)以80°C~100°C /小時的升溫速率加熱該第一真空設(shè)備，使該第一真空設(shè)備內(nèi) 的溫度達(dá)到900°C~1300°C，然后保溫2-4小時；
[0014] 3)保溫結(jié)束后，將所述第一真空設(shè)備自然冷卻至50°C以下。
[0015] 優(yōu)選地，所述步驟2)還包括以下步驟：
[0016] 2. 1)在將所述第一真空設(shè)備進(jìn)行保溫2-4小時的過程中，以0. 1~0. 8Htz的頻率 晃動第一真空設(shè)備。
[0017] 優(yōu)選地，步驟（A)中的所述鉍化合物通過真空熔煉制備而成，所述鉍化合物為包 括 Bi2Se3SBi2Te3。
[0018] 優(yōu)選地，真空熔煉所述鉍化合物包括以下步驟：
[0019] 1)將二元鉍化合物中兩種元素按照2:3的摩爾比在第二真空設(shè)備中混合，該第二 真空設(shè)備內(nèi)的真空度為3 X 10 3~6 X 10 3Pa ;
[0020] 2)以80°C~100°C /小時的升溫速率加熱該第二真空設(shè)備，使該第二真空設(shè)備內(nèi) 的溫度達(dá)到250°C~550°C，然后保溫2-4小時并同時以0. 1~0. 8Htz的頻率晃動第二真 空設(shè)備；
[0021] 3)保溫結(jié)束后，將第二真空設(shè)備自然冷卻至50°C以下。
[0022] 優(yōu)選地，步驟（C)中的熱壓燒結(jié)包括以下步驟：
[0023] C1)將粉料進(jìn)行干燥處理，以獲得干粉料；
[0024] C2)將步驟C1中獲得的干粉料置于熱壓機內(nèi)，熱壓機內(nèi)的真空度為1.0X10 3~ 5. 0X103Pa；
[0025]C3)加熱該熱壓機使干粉料的溫度達(dá)到620°C~720°C，熱壓機的工作壓力為500 噸，并保溫2~4小時；
[0026] C4)保溫結(jié)束后，將熱壓機自然冷卻，使干粉料的溫度降溫至室溫。
[0027] 在另一方面，本發(fā)明提供了一種由上述摻雜方法制備的摻雜鉍化合物的CIGS。
[0028] 本發(fā)明的有益效果：
[0029] 本發(fā)明提供了一種摻雜鉍化合物的CIGS及其摻雜方法，該摻雜方法流程簡單、操 作方便，可以大大提高CIGS中Bi元素的摻雜均勻性，本發(fā)明提供的方法具有以下優(yōu)點：
[0030] 1、通過將鉍化合物摻雜入CIGS中，利用該摻雜鉍化合物的CIGS薄膜可以顯著提 高CIGS薄膜太陽能電池的光-電轉(zhuǎn)換效率。
[0031] 2、鉍原子均勻地?fù)诫s到CIGS中，摻雜量便于控制，同時制作工藝過程中的所有摻 雜元素（包括硒、碲、和鉍）揮發(fā)也大大降低。
[0032] 3、在摻雜的鉍化合物中，含有硫族元素碲（Te)或者硒（Se)，摻雜鉍過程中，也相 應(yīng)地將硒或者碲原子帶進(jìn)CIGS的晶格內(nèi)，從而減少CIGS晶體內(nèi)的空穴、位錯，甚至晶界的 缺陷數(shù)量，從而消除了由上述缺陷導(dǎo)致CIGS光-電轉(zhuǎn)換過程中載流子流失的源頭。在所摻 雜Bi化合物的CIGS薄膜電池案例中，所獲得的電池轉(zhuǎn)換效率相對純CIGS薄膜太陽能電池 的轉(zhuǎn)換效率提高最大比例達(dá)19. 7%。
【附圖說明】
[0033] 為了更清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡 單地介紹。應(yīng)當(dāng)理解，以下附圖僅示出了本發(fā)明的某些實施例，因此不應(yīng)被視為是對本發(fā)明 保護(hù)？II圍的限制。
[0034] 圖1為本發(fā)明實施例1提供的CIGS的鉍化合物摻雜方法的流程圖；
[0035] 圖2為本發(fā)明實施例1提供的另一種CIGS的鉍化合物摻雜方法的流程圖；
[0036] 圖3為圖2中真空熔煉制備CuInQ.7Gaa3Se 2的流程圖；
[0037] 圖4為圖2中真空熔煉制備Bi2Te3的流程圖。
【具體實施方式】
[0038] 實施例1
[0039] 參閱圖1至圖4,本實施例提供了一種在CuInQ.7Ga a3Se2中摻雜lat%的Bi 2Te3的 方法，其包括以下步驟：
[0040] 步驟一、制備CIGS化合物
[0041] 首先，按照重量比19. 7% :24. 9% :6. 5% :48. 9%的比例稱取Cu、In、Ga、Se，并放 入高純度的石英管內(nèi)。優(yōu)選地，Cu、In、Ga、Se均通過粉碎處理，以便其能充分混合。
[0042] 其次，利用抽氣管將石英管抽成真空，使石英管內(nèi)的真空度達(dá)到1. 8X10 3Pa，然后 封閉抽氣管使石英管處于密閉狀態(tài)。
[0043] 再次，將石英管放入電阻加熱爐中加熱。電阻加熱爐的加熱方法如下：以80°C /小 時的升溫速率，將石英管加熱至1158°C。石英管達(dá)到1158°C時，在該溫度下保溫3. 1小時， 使各組分進(jìn)行充分的反應(yīng)。保溫時間可以適度提高以便使各組分的反應(yīng)進(jìn)行得更徹底。優(yōu) 選地，保溫的同時以〇. 2Htz的頻率振動石英管，使各組分充分混合、充分接觸，以確保充分 地進(jìn)行反應(yīng)。
[0044] 最后，在保溫3. 1小時后，切斷電阻加熱爐的電源，使石英管在保持1. 8X 10 3Pa的 條件下自然降溫至50°C以下。
[0045] Cu、In、Ga、Se各組分通過在真空、高溫的條件下反應(yīng)，各組分逐漸形成多晶的、按 照化合物的化學(xué)當(dāng)量比的Culn。. 7Gaa3Se2四元化合物，從而獲得Culn。.7Ga a3SeJt合物。
[0046] 步驟二、制備Bi2Te3化合物
[0047] 首先，將純度高于4N的Bi和Te按照重量比例：Bi 52. 2%、Te 47. 8%放入另一高 純度的石英容器內(nèi)，之后對石英管進(jìn)行抽真空，使石英管內(nèi)的真空度達(dá)到3. 0 X 10 3Pa，之后 封閉抽氣管，使其容器處于密閉狀態(tài)。
[0048] 其次，將石英管放入電阻加熱爐中進(jìn)行加熱，從室溫加熱到458°C，加熱速度控制 為80°C /小時。容器加熱至458°C后，保溫3. 1小時，同時以0. 5Htz的頻率振動容器，以使 Bi與Te充分反應(yīng)。
[0049] 再次，保溫3. 1小時后，保持石英管在3. 0X 10 3Pa的真空度條件下自然降溫至 50°C以下，即獲得硫族元素化合物Bi2Te 3。
[0050] 步驟三、通過熱壓燒結(jié)來制備摻雜了 lat%的Bi2TeJ^ CIGS化合物
[0051] 首先，將Bi2TeJt合物和CIGS化合物按照2. 45:97. 55的重量比例放置于充氬氣 的密閉罐內(nèi)；
[0052] 其次，將封閉罐放置于行星球磨機上進(jìn)行球磨處理，以制備粉料，粉料的平均粒徑 為75 y m，為了提高粉料粒徑的均勻性，還可以對粉料進(jìn)行過篩處理。制備粉料后，可以對其 進(jìn)行干燥處理，具體地，可以將粉料放置于l〇〇°C的烤箱內(nèi)，烘烤2小時，以去除粉料表面吸 附的水分。粉料干燥后，將其儲存于帶有控制濕度的箱體內(nèi)，箱體內(nèi)的溫度控制在80°C。
[0053] 再次，進(jìn)行熱壓燒結(jié)來制備摻雜Bi2Tej^ CIGS化合物，具體過程如下：
[0054] 第一、將制備的粉料放置于高純度的石墨模具中，然后將石墨模具放入熱壓機的 腔體內(nèi)，使腔體內(nèi)的真空度為3 X 10 3Pa。
[0055] 第二、將熱壓機的腔體內(nèi)的溫度升高至685°C、壓力升高至500噸，將石墨模具在 該熱壓機腔體內(nèi)的高溫、高壓的狀況下維持3. 1小時。
[0056] 第三、熱壓3. 1小時后，以50°C /每小時的降溫速度降溫，直至腔體內(nèi)的溫度降至 室溫。本實施例的整個熱壓周期為16個小時左右。在熱壓機的腔體內(nèi)的溫度降低至室溫 后，將石墨模具從腔體內(nèi)取出，使制備的模坯脫離石墨模具，即可得到按照所需要原子比例 摻雜了 lat% Bi2TeJ^ CIGS 材料。
[0057] 通過以上步驟，制備了摻雜了lat%Bi2SeJ^CIGS化合物。該材料為高密度的 塊材，通過磨床將該塊材加工成太陽能電池薄膜制備過程中使用的濺射背板所需的幾何形 狀，從而獲得