[发明专利]铜铟镓硒薄膜太阳能电池大规模生产中的碱金属掺杂方法

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能电池技术领域，尤其是涉及一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池大规模生产中的碱金属掺杂方法。

背景技术

铜铟镓硒太阳能电池，即CIGS薄膜太阳能电池，由Cu(铜)、In(铟)、Ga(镓)、Se(硒)四种元素构成最佳比例的黄铜矿结晶薄膜太阳能电池，是组成电池板的关键技术。由于该产品具有光吸收能力强，发电稳定性好、转化效率高，白天发电时间长、发电量高、生产成本低以及能源回收周期短等诸多优势，CIGS太阳能电池已是太阳能电池产品的明日之星，可以与传统的晶硅太阳能电池相抗衡。

铜铟镓硒吸收层的碱金属掺杂：是指在铜铟镓硒光吸收层中掺如一定比例的碱金属以提高铜铟镓硒太阳能电池的开路电压和填充因子。

CIGS电池具有性能稳定、抗辐射能力强，光电转换效率目前是各种薄膜太阳电池之首，无论是在地面阳光发电还是在空间微小卫星动力电源的应用上具有广阔的市场前景。自1993年由等人发现钠效应以来，许多高效率铜铟镓硒太阳电池的研究多采用钠钙玻璃基板以增进电池性能，其他各式钠掺杂方法及探讨钠效应机制之研究也陆续被提出。钠掺杂是影响铜铟镓硒太阳能电池性能的重要因素，适量掺Na既可以改进吸收层的形貌和p型掺杂浓度，又能增强{110/102}织构，可有效提升太阳电池的光电转化性能。研究还发现在不同的碱性前驱物中，含Na前驱物做成的电池效率最高，这是因为Na元素能优化膜的形貌，提高膜的导电率，同时减小缺陷浓度。

现有技术中，铜铟镓硒光吸收层中Na掺杂的方法主要有以下四类：(1)采用加钠钙玻璃作为薄膜太阳能电池沉积的基底。薄膜生长过程中，钠钙玻璃基底中所含微量的Na元素可从基底扩散入光吸收层，以改善铜铟镓硒晶格的生长。例如Ramanathan等通过采用钠钙玻璃，在高温下沉积铜铟硒薄膜，来显著提高铜铟硒太阳能电池的光电转化效率(Ramanathan et al.，Prog.Photovolt.Res.Appl.11(2003)225)。这类方法的主要缺陷是对从基底扩散入光吸收层的Na元素数量和速率极难控制，并且这种方法仅适用于玻璃基底。(2)在Mo背电极层和铜铟镓硒光吸收层中间加镀一层NaF或NaSe层(如Rudmann et al.，Thin Solid Films32(2003)37)。这种方法对于有效控制从NaF或NaSe层扩散入光吸收层的Na元素数量和速率，相对前一种做法有显著提高。但由于NaF或NaSe层的插入，铜铟镓硒层与Mo背电极层之间的附着力明显降低，并且其间的肖特基势垒会变大。(3)在直流溅射Mo背电极层时，采用Mo/Na靶来取代传统的Mo靶(Yun et al.，Thin Solid Films 515(2007)5876-5879)。采用这种方法后，电池的开路电压和光电转化效率有显著提高，但这种方法受限于靶材合成的复杂性和靶材本身的元素比不可调整性。(4)在沉积铜铟镓硒光吸收层时，在退火前，溅射或喷涂含Na元素的碱金属卤化物或合金，以实现有效Na掺杂(Mackie et al.，US 7,897,020 B2；CN101443892A)。例一是201110205812.6这个文件中公开的一种薄膜电池光吸收层的制备方法。它采用溅射沉积的方式分别溅射铜镓层、铟层，再进行硒化。它通过在溅射第一前体层(即铜镓层)时采用含钠的靶材，实现了对光吸收层的钠掺杂。例二是201010293817.4这个文件公开的一种利用溅射工艺加工光伏材料的方法，也同样采用溅射沉积法。在溅射铜镓层和铟层后再溅射钠层，最后统一硒化，实现钠掺杂。这两种方案皆是采用在吸收层的不同层体，通过层层溅射沉积，引入钠掺杂方法。但因钠对铜、铟、镓材料的固溶性不同，这种方法在促进铜铟硒晶格生长的同时，会对铜镓硒的晶格生长起到了限制作用，并不能有效地提高铜铟镓硒电池的光电转化效率。

发明内容

本发明的目的在于设计一种新型的铜铟镓硒薄膜太阳能电池大规模生产中的碱金属掺杂方法，解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池大规模生产中的碱金属掺杂方法，包括步骤如下：

步骤一，在玻璃基底或柔性基底上沉积Mo金属背电极层；

步骤二，铜铟镓硒光吸收层的制备，其中包括铜铟镓硒前驱物的真空或非真空沉积过程以及沉积完成以后进行硒化退火以形成铜铟镓硒光吸收层；

步骤三，对所述铜铟镓硒光吸收层进行碱金属元素掺杂沉积；

步骤四，对沉积后形成的碱金属薄膜进行热处理，以使碱金属渗入铜铟镓硒晶界，并改善其晶界特性；