CN101789470A - 非真空制作铜铟镓硒吸收层的方法 - Google Patents

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杨益郎
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Abstract

本发明是有关一种非真空制作铜铟镓硒吸收层的方法，用以在非真空下一钼层上形成均匀光吸收层，包括以下步骤：首先，依据配方比例，混合含IB、IIIA及VIA族元素的二成份、三成份或四成份粉末以形成含铜铟镓硒(硫)的原始混合粉末；其次，在该混合粉末中添加额外的VIA族元素粉末，使形成含铜铟镓硒或含铜铟镓硒硫的最后混合粉末；再添加溶剂、界面活性剂和接着剂至该最后混合粉末中并进行搅拌形成铜铟镓硒浆料；接着，将该铜铟镓硒浆料涂布在钼层上，软烤使溶剂挥发形成光吸收前驱层；以及最后，再将含该光吸收前驱层的基板置于含VIA族元素粉末的RTA炉中，高温形成VIA族蒸气气氛下退火长晶，以形成含铜铟镓硒或含铜铟镓硒硫的的光吸收层。

Description

非真空制作铜铟镓硒吸收层的方法
技术领域
本发明涉及一种制作铜铟镓硒光吸收层的方法，特别是涉及一种非真空制作铜铟镓硒吸收层的方法。
背景技术
近年来，随国际油价高涨及环保意识的抬头，绿色能源已成为新能源主流，其中太阳能电池又因是取自太阳的稳定辐射能，来源不会枯竭，因此更为各国所重视，无不挹注大量研发经费及政策性补贴，以扶植本地的太阳能电池产业，使得全球太阳能产业的发展非常快速。
第一代太阳能模组包括单晶硅和多晶硅的太阳能模组，虽然光电转换效率高且量产技术成熟，但因为材料成本高，且硅晶圆常因半导体工业的需求而货源不足，影响后续的量产规模。因此，包含非晶硅薄膜、铜铟镓硒(CIGS)薄膜或铜铟镓硒(硫)(CIGSS)薄膜和碲化镉薄膜的第二代的薄膜太阳能模组，在近几年已逐渐发展并成熟，其中又以铜铟镓硒或铜铟镓硒(硫)太阳能电池的转换效率最高(单元电池可高达20％而模组约14％)，因此特别受到重视。
请参阅图1所示，是现有技术铜铟镓硒或铜铟镓硒(硫)太阳能电池结构的示意图。如图1所示，现有技术的铜铟镓硒太阳能电池结构包括基板10、第一导电层20、铜铟镓硒或铜铟镓硒(硫)吸收层30、缓冲层40、绝缘层50以及第二导电层60，其中基板10可为玻璃板、铝板、不绣钢板或塑胶板，第一导电层20一般包括金属钼，当作背面电极，铜铟镓硒或铜铟镓硒(硫)吸收层30是包括适当比例的铜、铟、镓及硒，当作p型薄膜，为主要的光线吸收层，缓冲层40可包括硫化镉(CdS)，当作n型薄膜，绝缘层50包括氧化锌(ZnO)，用以提供保护，第二导电层60包含氧化锌铝(ZnO:Al)，用以连接正面电极。
上述铜铟镓硒或铜铟镓硒(硫)太阳能电池的制造方法主要依据铜铟镓硒或铜铟镓硒(硫)吸收层的制造环境而分成真空制造工艺及非真空制造工艺。真空制造工艺包括溅镀法或蒸镀法，缺点是投资成本较高且材料利用率较低，因此整体制作成本较高。非真空制造工艺包括印刷法或电沉积法，缺点是技术仍不成熟，仍无较大面积的商品化产品。不过非真空制造工艺仍具有制造设备简单且制造工艺条件容易达成的优点，而有相当的商业潜力。
铜铟镓硒或铜铟镓硒(硫)吸收层的非真空制造工艺是先调配铜铟镓硒或铜铟镓硒(硫)浆料或墨水(Ink)，用以涂布到钼层上。
现有技术中，铜铟镓硒或铜铟镓硒(硫)浆料调配是先以适当比例混合含IB、IIIA及VIA族元素的二成份、三成份或四成份的粉末以形成原始含铜铟镓硒或铜铟镓硒(硫)的粉末，再添加适当比例的溶剂，并进行搅拌以形成原始铜铟镓硒或铜铟镓硒(硫)浆料，最后添加接着剂(binder)或界面活性剂以提高铜铟镓硒或铜铟镓硒(硫)吸收层和钼背面电极的接着性，并进行搅拌混合以形成最后铜铟镓硒或铜铟镓硒(硫)浆料。
上述现有技术的缺点是，配置好的浆料在RTA过程中，会因为硒挥发，造成铜铟镓硒或铜铟镓硒(硫)吸收层中IB/IIIA/VIA的原始比例变化太大，影响铜铟镓硒或铜铟镓硒(硫)吸收层的光吸收特性，严重者会造成此光吸收层从P层变化成N层，所形成的太阳能电池会失去电池的特性，以往为补充损失的硒，会使用硒化制程，即用高毒性的硒化氢气体，以补充损失的硒成份，但高毒性的硒化氢气体，稍一不慎会造成致命的危险。因此，需要一种危险性较低，又可补充VI族成份的光吸收层制作方法，以改善上述现有技术的问题。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有的非真空制作铜铟镓硒吸收层的方法存在的缺陷，而提供一种新的非真空制作铜铟镓硒吸收层的方法，所要解决的技术问题是使其不使用硒化法，避免使用危险的硒化氢。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种非真空制作铜铟镓硒吸收层的方法，用以在非真空下一钼层上而形成均匀光吸收层，该方法包括以下步骤：步骤一，依据配方比例，混合含IB、IIIA及VIA族元素的二成份、三成份或四成份粉末以形成原始含铜铟镓硒(硫)混合粉末；步骤二，在该混合粉末中添加额外的VIA族元素粉末，使VIA族的比例提高，形成含铜铟镓硒或含铜铟镓硒硫的最后混合粉末；步骤三，添加溶剂、界面活性剂和接着剂至该最后混合粉末中并进行搅拌，藉以形成含有IB、IIIA及VIA族元素的铜铟镓硒浆料；步骤四，将该铜铟镓硒浆料涂布在钼层上，软烤使溶剂挥发形成光吸收前驱层；以及步骤五，再将含铜铟镓硒(硫)前驱层的基板置于含VIA族元素粉末的RTA炉中，高温形成VIA族蒸气气氛下退火长晶，以形成含铜铟镓硒(硫)的光吸收层。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
前述的非真空制作铜铟镓硒吸收层的方法，其中所述的IB族元素包括铜。
前述的非真空制作铜铟镓硒吸收层的方法，其中所述的IIIA族元素包括铟或镓或铟镓混合材料。
前述的非真空制作铜铟镓硒吸收层的方法，其中所述的VI族元素可为硒、硫或硒硫混合材料。
前述的非真空制作铜铟镓硒吸收层的方法，其中所述的额外添加的VI族元素可为硒粉、硫粉或硒硫混合粉末。
前述的非真空制作铜铟镓硒吸收层的方法，其中所述的溶剂包括醇类、醚类、酮类或混合所述二种以上溶剂的至少其中之一。
前述的非真空制作铜铟镓硒吸收层的方法，其中所述的RTA炉温度介于400-800℃。
前述的非真空制作铜铟镓硒吸收层的方法，其中中所述的置于RTA炉中的VIA族元素粉末可为硒粉末、硫粉末或含硒硫的混合粉末。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。由以上可知，为达到上述目的，本发明提供了一种非真空制作铜铟镓硒吸收层的方法，主要利用调配铜铟镓硒或铜铟镓硒(硫)浆料时，使用正常比例的铜铟镓硒化合物配成浆料，涂布形成光前驱层后，在RTA过程中加入VIA族粉末，使VIA族粉末高温形成蒸气，补充铜铟镓硒或铜铟镓硒(硫)前驱层的VIA族挥发所造成的损失。
借由上述技术方案，本发明非真空制作铜铟镓硒吸收层的方法至少具有下列优点及有益效果：
本发明所解决的问题或所带来的好处
一、本发明非真空制作铜铟镓硒吸收层的方法不使用硒化法，避免使用危险的硒化氢。
二、本发明非真空制作铜铟镓硒吸收层的方法不使用硒化法，RTA过程中加入VIA族粉末，使VIA族粉末高温形成蒸气，补充铜铟镓硒或铜铟镓硒(硫)前驱层的VIA族挥发所造成的损失。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1为现有技术的铜铟镓硒太阳能电池结构的示意图。
图2为本发明非真空制作铜铟镓硒吸收层的方法的流程图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的非真空制作铜铟镓硒吸收层的方法其具体实施方式、结构、步骤、特征及其功效，详细说明如启。
请参阅图2所示，是本发明非真空制作铜铟镓硒吸收层的方法的流程图。本发明较佳实施例的非真空制作铜铟镓硒吸收层的方法，包括以下步骤。
步骤100，先计算需求铜铟镓硒或铜铟镓硒硫配方比例，混合含IB、IIIA及VIA族元素的二成份、三成份或四成份粉末以形成含铜铟镓硒或含铜铟镓硒硫的原始混合粉末。在本具体实施例中，本发明可选择IB族中的铜元素、IIIA族中的纯铟元素、纯镓元素、或混合铟元素与镓元素的材料、VIA族中的纯硒元素、纯硫元素或混合硒元素与硫元素的材料，以形成上述混合粉末，例如可选择含铜-硒(IB-VIA)或铜-铟/镓(IB-IIIA)的二元化合物粉末和IIIA族中的纯铟元素、纯镓元素混合铟元素与镓元素的粉末混合成原始的混合粉末，但不以上述为限。
铜铟镓硒或铜铟镓硒硫配方比例所包含的IB、IIIA及VIA族元素的比例为IB∶IIIA∶VI的摩尔比例＝0.9-1.0∶1.0∶2.0。其中IB族元素包括铜，I I IA族元素可为纯铟、纯镓或混合铟和镓的材料，另VIA族元素可为纯硒、纯硫或混合硒和硫的材料。
步骤110，以含铜铟镓硒或铜铟镓硒硫配方中的原始混合粉末，添加额外的VIA族元素粉末，使VIA族的比例提高，形成含铜铟镓硒或铜铟镓硒硫的最后混合粉末，其中包含的IB、IIIA及VIA族元素的比例为IB∶IIIA∶VI的摩尔比例＝1.0∶1.0∶X，X介于2.0～4.0。
步骤120，将溶剂、界面活性剂和接着剂添加至步骤110的最后混合粉末中并进行搅拌形成含铜铟镓硒或含铜铟镓硒硫的浆料，以作为光吸收前驱层的材料。该溶剂可以是醇类、醚类、酮类等单一溶剂或混合两种以上的混合溶剂；该界面活性剂可以如NaI或不同性质的界面活性剂。
步骤130，将步骤110中的浆料以非真空涂布法涂布在钼层(含下电极的基板)上，并软烤去除溶剂以形成光吸收前驱层。该非真空涂布法，如电沉积法、刮刀涂布法、狭缝涂布法、网印法或超音波涂布法等，但并不以此为限。
步骤140，再将步骤120中的光吸收前驱层以RTA炉400-800℃高温长晶使形成光吸收层，在RTA过程中添加VIA族元素粉末，使粉末在高温中挥发形成VIA族蒸气，补充损失的硒成份，使前驱层中含IB、IIIA及VIA族元素的比例仍维持在IB∶IIIA∶VI的摩尔比例＝0.9-1.0∶1.0∶2的最佳比例。步骤140中添加的VIA族元素粉末可为硒粉、硫粉或混合硒粉和硫粉的混合物。
一、本发明非真空制作铜铟镓硒吸收层的方法，不使用硒化法，避免使用危险的硒化氢。
二、本发明非真空制作铜铟镓硒吸收层的方法，不使用硒化法，RTA过程中加入VIA族粉末，使VIA族粉末高温形成蒸气，补充铜铟镓硒或铜铟镓硒(硫)前驱层的VIA族挥发所造成的损失。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种非真空制作铜铟镓硒吸收层的方法，用以在非真空下一钼层上而形成均匀光吸收层，其特征在于该方法包括以下步骤：
首先，依据配方比例，混合含IB、IIIA及VIA族元素的二成份、三成份或四成份粉末以形成含铜铟镓硒或含铜铟镓硒硫的原始混合粉末；
其次，在该混合粉末中添加额外的VIA族元素粉末，使VIA族的比例提高，形成含铜铟镓硒或含铜铟镓硒硫的最后混合粉末；
再添加溶剂、界面活性剂和接着剂至该最后混合粉末中并进行搅拌，藉以形成含有IB、IIIA及VIA族元素的铜铟镓硒浆料；
接着，将该铜铟镓硒浆料涂布在钼层上，软烤使溶剂挥发形成光吸收前驱层；以及
最后，再将含该光吸收前驱层的基板置于含VIA族元素粉末的RTA炉中，高温形成VIA族蒸气气氛下退火长晶，以形成含铜铟镓硒或含铜铟镓硒硫的的光吸收层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于其中所述的IB族元素包括铜。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于其中所述的IIIA族元素包括铟或镓或铟镓混合材料。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于其中所述的VI族元素可为硒、硫或硒硫混合材料。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于其中所述额外添加的VIA族元素粉末包括硒粉末、硫粉末或含硒硫的混合粉末的至少其中之一。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于其中所述的溶剂包括醇类、醚类、酮类或混合所述二种以上溶剂的至少其中之一。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于其中所述的RTA炉温度介于400-800℃。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于其中所述的置于RTA炉中的VIA族元素粉末为硒粉末、硫粉末或含硒硫的混合粉末。
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