[发明专利]一种工业化沉积CIGS太阳电池吸收层的方法及设备

说明书

技术领域

本发明属于柔性薄膜太阳电池技术领域，特别是涉及一种工业化沉积CIGS太阳电池吸收层的方法及设备。

背景技术

近年来薄膜太阳电池发展迅速。CIGS薄膜太阳电池由于其效率高、稳定性好、抗辐射能力强等优点，被称为“最有前途的太阳电池”之一，成为研究的焦点。目前，德国太阳能和氢能研究中心(ZSW)研制的实验室小面积(约0.5cm²)CIGS薄膜太阳电池实现了21.7％的转换效率。在工业化生产方面，以玻璃为衬底的CIGS薄膜太阳电池的组件效率已到达10％-15％，其工业化进程在不断加快。

柔性PI(聚酰亚胺)作为衬底的CIGS薄膜太阳电池具有质量轻、可弯曲、质量比功率高、应用范围更广泛等显著优点，因此开展适合于工业化生产的柔性PI衬底CIGS薄膜太阳电池研究极为重要。

目前公知的工业化生产CIGS薄膜太阳电池方法多涉及玻璃衬底的刚性太阳电池。柔性PI衬底耐热温度有限、高温下易变行，这不利于生成结晶质量优、附着性好的CIGS吸收层。工业化生产柔性PI衬底CIGS薄膜太阳电池吸收层研究鲜有报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种以柔性PI为衬底，制备成分均匀、结晶质量高，适用于工业化生产的CIGS薄膜太阳电池吸收层的方法及设备。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种工业化沉积CIGS太阳电池吸收层的设备，蒸发腔室包括作为放卷室的第一腔室，作为工艺室的第二腔室、第三腔室和第四腔室，和作为收卷室的第五腔室；第一腔室、第二腔室、第三腔室、第四腔室、第五腔室依次排列，相邻腔室之间通过不锈钢板隔断，但腔室之间互通；蒸发室内上部设置有带动衬底行进的放卷器、倒卷滚轴、收卷器、纠偏系统，放卷器在第一腔室，收卷器在第五腔室，在第五腔室中还设置有XRF测试仪，第一和第五腔室外连接有抽真空系统；第二腔室、第三腔室和第四腔室的顶部沿着衬底行进方向设置衬底加热背板，衬底加热背板平行安置于衬底上方，第二腔室、第三腔室和第四腔室中安置有蒸发源，第二腔室蒸发源依次为Se、In、Ga、Se蒸发源，第三腔室蒸发源依次为Se、Cu、Se蒸发源，第四腔室蒸发源依次为Se、In、Ga、NaF、Se蒸发源，衬底加热背板与衬底之间安装有热电偶，蒸发源安装有热电偶，热电偶与PID控制器相连接。

所述Se蒸发源为沿衬底幅宽方向的线性源，其余蒸发源沿衬底走带方向呈左右两列均匀分布在衬底下方。

所述Se蒸发源上部为圆柱形管腔，其上分布有等间距的小孔，管腔内置加热装置。

采用上述设备工业化沉积CIGS太阳电池吸收层的方法，包括以下步骤：

(1)使用镀有500-800nmMo背电极的柔性聚酰亚胺PI为衬底，将衬底Mo膜面向下安装在蒸发腔室卷绕系统内，对蒸发腔室抽真空，待真空度优于1.0×10^-3Pa时，将衬底温度加至400-550℃，Cu蒸发源加热至1100-1400℃，In蒸发源加热至900-1200℃，Ga蒸发源加热至900-1200℃,Se蒸发源加热至220-260℃,NaF蒸发源加热至600-800℃；

(2)启动装卷，开始镀膜，衬底通过第二腔室时蒸发沉积In、Ga、Se：衬底温度为400℃，In、Ga、Se在衬底表面形成预制层IGS；

(3)衬底通过第三腔室时蒸发沉积Cu、Se：衬底温度保持在530℃以上，Cu源蒸发的Cu小部分扩散进入IGS薄膜形成CIGS，大部分Cu与Se结合形成Cu_xSe；

(4)衬底通过第四腔室时蒸发沉积In、Ga、Se及NaF：衬底温度保持在530℃以上，In、Ga、Se与剩余的Cu_xSe反应生成CIGS；最后蒸发NaF，完成吸收层的后掺Na工艺；

(5)衬底通过第五腔室，XRF测试仪进行在线测试与分析，最终由收卷器完成卷绕，实现Roll-to-Roll工艺。

所述步骤(2)中蒸发的In、Ga总量占整个吸收层In、Ga蒸发总量的10％，Se保持过量蒸发。

所述步骤(4)中沉积的In、Ga总量为整个CIGS薄膜总量的90％，Se始终保持过量的蒸发。

本发明的有益效果是：

1.本发明以柔性PI为衬底，通过控制Cu、In、Ga、Se蒸发先后顺序、蒸发速率，最终薄膜经历富Cu生长过程，在较低温度条件下获得了高结晶质量吸收层。