[发明专利]一种太阳能电池光吸收层薄膜的制备方法有效

专利信息
申请号: 201210550143.0 申请日: 2012-12-18
公开(公告)号: CN103014624A 公开(公告)日: 2013-04-03
发明(设计)人: 万磊;徐进章;邹鹏;孟明明;王仁宝;毛小丽;牛海红 申请(专利权)人: 合肥工业大学
主分类号: C23C14/06 分类号: C23C14/06;C23C14/24;H01L31/18;H01L31/032
代理公司: 安徽省合肥新安专利代理有限责任公司 34101 代理人: 吴启运
地址: 230009 *** 国省代码: 安徽;34
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摘要:
搜索关键词: 一种 太阳能电池 光吸收 薄膜 制备 方法
【说明书】:

一、技术领域

发明涉及薄膜太阳能电池技术,具体地说是一种太阳能电池光吸收层薄膜的制备方法。

二、背景技术

铜铟镓硒(Cu(In,Ga)Se2,简称CIGS)薄膜太阳能电池是目前光电转换效率最高的薄膜电池,其实验室最高转换效率在2010年达到20.3%,而且CIGS电池具有制造成本低、抗辐射能力强、弱光性好的优点,被认为是最有发展前景的新一代太阳能电池。

CIGS光吸收层是CIGS薄膜太阳能电池最核心的一层。目前具有较高光电转换效率的电池多采用物理气相沉积工艺制备CIGS光吸收层。在该工艺制备过程中,衬底温度的精确控制和空间分布均匀性对CIGS的物相形成具有重要影响。若衬底温度在衬底平面上分布不均,则会造成CIGS薄膜在衬底平面上各处物相成分的不均,在温度较低区域会产生杂相,降低电池的光电转换效率。对于大面积电池的制备,尤其需要提高衬底温度的空间分布均匀性。传统的衬底加热方式为接触加热的方法,加热器的加热面紧贴CIGS衬底玻璃平面,采用热传导的方式对衬底加热,但此法易因衬底玻璃受热弯曲,脱离加热面,从而造成衬底温度空间分布不均,脱离加热面的区域衬底温度相对较低。

三、发明内容

本发明旨在提供一种太阳能电池光吸收层薄膜的制备方法,所要解决的技术问题是提高光吸收层薄膜的成膜均匀性,从而提高电池的光电转换效率。

本发明太阳能电池光吸收层薄膜的制备方法,是铜铟镓硒(CIGSe)薄膜太阳能电池光吸收层,采用共蒸法制备并通过红外热辐射加热,其特征在于按以下步骤操作:

将镀钼玻璃衬底置于常规多源热蒸发镀膜系统的衬底上并抽真空至5×10-4Pa,将铜、铟、镓和硒的束源炉温度分别升至1100-1250℃、900-1000℃、950-1100℃以及200-300℃并分别保持恒定;将衬底温度从室温升温至250-450℃(3-8分钟)并保持恒定,首先向镀钼玻璃衬底表面蒸镀铟、镓和硒10-15分钟;铟、镓和硒蒸镀结束后将衬底温度升温至450-650℃并在升温的同时蒸镀铜和硒12-16分钟,其中12-16分钟是以温度达到450-650℃时起计算;铜和硒蒸镀结束后保持衬底温度不变蒸镀铟、镓和硒3-6分钟;铟、镓和硒蒸镀结束后将衬底温度在15-30分钟内降至300-400℃,然后随炉自然冷却至室温,得到CIGS薄膜。

铜、铟、镓和硒的蒸镀量是通过温度和蒸镀时间来调控的。

本发明太阳能电池光吸收层薄膜的制备方法,是铜铟镓硫硒(CIGSSe)薄膜太阳能电池光吸收层,包括共蒸和硫化各单元过程,其特征在于:

所述共蒸是将镀钼玻璃衬底置于常规多源热蒸发镀膜系统的衬底上并抽真空至5×10-4Pa,将铜、铟、镓和硒的束源炉温度分别升至1100-1250℃、900-1000℃、950-1100℃以及200-300℃并分别保持恒定;将衬底温度从室温升温至250-450℃(3-8分钟)并保持恒定,首先向镀钼玻璃衬底表面蒸镀铟、镓和硒10-15分钟;铟、镓和硒蒸镀结束后将衬底温度升温至450-650℃并在升温的同时蒸镀铜和硒12-16分钟,其中12-16分钟是以温度达到450-650℃时起计算;铜和硒蒸镀结束后保持衬底温度不变蒸镀铟、镓和硒3-6分钟;铟、镓和硒蒸镀结束后将衬底温度在15-30分钟内降至300-400℃,然后随炉自然冷却至室温,得到CIGS薄膜;

铜、铟、镓和硒的蒸镀量是通过温度和蒸镀时间来调控的。

所述硫化是将所述CIGS薄膜置于在快速升温炉的衬底上,炉内抽真空至5×10-1Pa,向炉内通入氩气和硫化氢气体,氩气和硫化氢气体的总流量300-400sccm,流量比为20-50:1;通过卤钨灯辐照使温度升至350-550℃并保温5-60分钟,随后降温至200-400℃后关闭卤钨灯,自然冷却至室温,得到CIGSSe薄膜。

本发明通过共蒸发法制备CIGS薄膜采用的设备是多源热蒸发镀膜系统,由机械泵、分子泵、真空腔体、束源炉、温控仪、衬底加热器、衬底旋转机构、闸板阀、真空计等部件构成。该系统可实现对多个蒸发源独立精确控温,同时可对衬底加热控温,用于制备多元化合物半导体薄膜。

衬底加热器的加热方式为非接触加热,加热器和衬底间保持1-5毫米间距,加热器通过红外热辐射的方式对衬底加热,确保衬底各处受热均匀。

本发明共蒸发法制备CIGS薄膜的具体步骤如下:

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