[发明专利]一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于太阳能电池技术领域，涉及铜铟镓硒薄膜太阳能电池的制备和薄膜器件的结构设计，特别涉及一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池及其制备方法。

背景技术

铜铟硒系薄膜太阳能电池因其效率高、成本低、寿命长以及可用于柔性基底等突出特点，是最有市场前景的新型薄膜太阳能电池。铜铟硒（CIS）具有黄铜矿结构，能隙为1.04 eV，若以Ga代替CIS中的部分In，形成CuIn_1-xGa_xSe₂结构时，能隙可以在1.04~1.68 eV之间连续可调，这为制备能隙可以调控的铜铟镓硒薄膜太阳能电池提供了重要的理论依据。目前铜铟硒系列的太阳能电池的结构通常为：减反层/金属栅状电极/透明电极层/窗口层/缓冲层/光吸收层/金属正极/基底（例如：钠钙玻璃），其中对光吸收层的优化是决定电池性能的关键因素。关于光吸收层的优化研究，主要集中在以下几方面：1、增大光吸收层的光学带隙，提高转化效率，如以Ga替代CIS中的部分铟原子；2、在光吸收层内制造带隙渐变结构来提高载流子的收集效率，如光吸收层中Ga的含量从CIS/Mo界面到CIS/CdS界面逐渐下降将引起光吸收层的带隙渐变。

虽然光吸收层带隙渐变结构提高了载流子的收集效率，从而增加了电池的短路电流，但是却抑制了电池的光谱响应效率，降低了电池的开路电压，因此对电池光电转换效率的贡献有限。另一方面，耗尽区（PN结区）是主要的光电转换区，但耗尽区的厚度仅为100~500 nm，小于CIS膜层的厚度，因此可以利用耗尽区来提高入射光的光谱响应效率。

张弓等采用真空磁控溅射法制备铜铟硒或铜铟镓硒或铜铟铝硒吸收层（申请号200910237133.X），随后将吸收层在保护气氛下进行退火处理以改善结晶质量。

虽然因为镓或铝的掺杂会增大吸收层的能隙宽度，进而提高转化效率，但毕竟有限。李伟等提出采用镓元素梯度分布，使铜铟镓硒（CIGS）薄膜的能隙呈现抛物线状分布，电池的光谱响应增强，量子效率得到显著提高。但是，这是一个假想曲线，目前还难以精确控制Ga的分布，所以Ga梯度分布时的CIGS的能隙不容易达到抛物线状态 [李伟，孙云，刘伟，李凤岩，周琳，人工晶体学报，2006年2月，第35卷第1期131-134页] 。

发明内容

针对现有技术不足，本发明提供了一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池及其制备方法。

一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池，其特征在于：该电池由基底、金属正极、光吸收层、缓冲层、窗口层、透明电极层和栅状金属负极顺次连接构成；

所述光吸收层由至少两层不同能隙的铜铟镓硒薄膜相互连接组成，不同铜铟镓硒单层中Ga/(In+Ga)的值不同，且与所述缓冲层相邻的铜铟镓硒单层中Ga/(In+Ga)的值大于其余铜铟镓硒单层中的Ga/(In+Ga)的值；通过对铜铟镓硒单层中Ga/(In+Ga)的值的控制，使所述光吸收层的能带图中，不同能隙的铜铟镓硒薄膜的导带底为两边高，中间低的“凹型”结构；

即在耗尽区（PN结区）内，由一层Ga组分大的CIGS层构成，在耗尽区外，由至少一层Ga组分较小的CIGS层构成，通过层间电荷迁移实现对导带底的调控以及在耗尽区存在较大的能带弯曲，实现更优的能带结构，提高电池载流子的收集效率；另一方面，靠近CdS的CIGS单层由于能隙大，能量高的光子得到了很好的吸收，能量较小的光子由余下的CIGS单层吸收，尽可能避免了低能量光子的损失，因此提高了光吸收层的光谱响应效率和开路电压，从而提高电池的光电转换效率（如图1和图2）；

所述的光吸收层中，与所述缓冲层相邻的铜铟镓硒单层中Ga/(In+Ga)的值大于0且小于等于1，其余铜铟镓硒单层中Ga/(In+Ga) 的原子比值范围为大于等于0且小于等于0.8。

所述光吸收层含有2~6层铜铟镓硒单层。（简写为CuIn_xGa_1-xSe₂/CuIn_yGa_1-ySe₂/…/CuIn_zGa_1-zSe₂），其组成为CuIn_xGa_1-xSe₂ /CuIn_zGa_1-zSe₂或