[发明专利]一种薄膜太阳电池的光吸收层材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光电材料与新能源技术领域，涉及用作薄膜太阳电池光吸收层的一种化合物半导体薄膜材料及其制备方法。

背景技术

发展太阳电池是解决日益恶化的能源危机和环境污染的有效途径。各类太阳电池中，CuIn_1-xGa_xSe₂(CIGS)薄膜太阳电池以其优良的光伏特性被认为是最重要和最具发展前景的太阳电池之一。然而，CuIn_1-xGa_xSe₂化合物中的In、Ga和Se是稀散金属，价格昂贵且储量有限。其中，In具有稀缺性与战略性特点，目前In的全球产量仅约为300t/a，主要用于平板显示镀膜、信息材料、超导材料、高性能合金等众多高科技领域，这些领域对In的需求正不断增长；即使将In全部用于太阳电池领域，如此小的产量也只能制造出15GWc的CuIn_1-xGa_xSe₂太阳电池组件。因此，按当前技术估算，20年内CIGS薄膜太阳电池的发展将会由于In的短缺而受到严重的制约。除In以外，Ga和Se的供应同样不容乐观。Ga的丰度虽然并不低(高于“五金”之一的Sn)，但在自然界的分布极其分散，几乎没有单独存在的Ga矿，因而提取困难。Se不仅是一种稀散元素，也是一种有毒元素。因此，从降低成本、节约资源和保护环境等角度来看，探寻具有廉价与环保特点的新型光吸收层薄膜材料来替代CuIn_1-xGa_xSe₂已成为摆在我们面前的重要课题。

必须指出的是，为了实现太阳电池的大规模实际应用，其光吸收层材料除了要求廉价与环保外，还应当具备能与CuIn_1-xGa_xSe₂相比拟的优良性能，包括：合适(1.2～1.5eV)且可调的带隙，可见光范围内较大的光吸收系数，高的电子迁移率，特别是对缺陷和晶界具有较好的电学容忍度等。根据能带结构与缺陷理论，在以CuIn_1-xGa_xSe₂为代表的黄铜矿结构硫属化合物的制备过程中，成分偏离理想化学计量所引起的缺陷和晶格失配主要是：由铜空位V_Cu^-(由于Cu3d-S3p或Se4p杂化态形成反键价带，V_Cu^-形成能小)和电荷补偿缺陷In_Cu²⁺(V_Cu^-静电诱导形成)组成的缺陷对(2V_Cu^-+In_Cu²⁺)。这种缺陷对是电惰性的，不会对材料的电学性能产生显著影响，所以CuIn_1-xGa_xSe₂等硫属化合物对本征缺陷显示出极大的电学容忍度(浓度可高达1％)。“从头计算”研究也表明，呈四面体等价排布的Cu原子是硫属化合物光吸收层获得优良光伏特性的结构基础。因此，在探寻光吸收层CuIn_1-xGa_xSe₂的替代材料时，我们首先采用无毒元素S替代Se，并在仍然维持着Cu-S键及四面体结构的前提下，寻找In和Ga的合适替代元素。