高效铜铟镓硒薄膜太阳能电池吸收层的低温生长研究

As the most efficient thin film solar cells, the CIGS solar cells possess a very promising commercial potential in the near future. In the standard three-stage deposition process of CIGS absorption layer for high efficient solar cells, the peak temperature reaches about 600oC, which is one key disadvantage for industrial production. This project aims to study the low temperature growth of CIGS absorption layer for high-efficiency CIGS solar cells, in which the peak temperature is lower than 450. Based on the study of main issues existing in the low temperature growth of CIGS layer, including: separation of different material phases, grading of the Ga composition and band gap, Na incorporation，etc，the solutions have been proposed: the modified three-stage process and new two-stage process will be used to solve the phase separation arising from the lacking of elemental self-diffusion; the active modulation of deposition flux of In and Ga will be used to achieve the optimum grading in Ga element and energy bandgap; different kinds of doping methods will be used to optimize the Na/K incorporation process. The success of this project will lead to low temperature deposition technology for high efficient CIGS solar cells and clarification some substantial scientific issues, such as effect and mechanism of energy band grading and Na/K incorporation. The low temperature growth technology will lower down the cost in production lines and production process. All this will help the promotion of application of CIGS solar cells as a renewable energy source.

作为光电转换效率最高的薄膜太阳能电池，铜铟镓硒太阳能电池的产业化前景可观。目前高效电池铜铟镓硒吸收层的标准三步法制造工艺中，最高温度在600oC左右，不利于产业化应用。本项目旨在开发高效电池吸收层的低温生长工艺，使最高温度不超过450oC。通过研究低温生长电池中存在的主要问题，包括不同材料相分离、元素和能带的空间分布、钠元素的导入，提出了解决方案，通过改进的三步法和新提出的两步法工艺解决低温下元素自扩散不足导致的相分离问题，通过主动调节铟和镓的蒸发速率从实验室实现最佳的元素和能带的空间分布，通过研究不同钠/钾元素导入方法探索掺杂机制并优化掺杂方案。本项目完成后可掌握高效铜铟镓硒电池吸收层的低温生长工艺，厘清能带梯度对电池器件性能的影响和钠/钾元素铟镓硒吸收层中的掺杂机理，最终可降低设备成本和生产成本，有助于铜铟镓硒薄膜太阳能电池推广运用。

作为光电转换效率最高的薄膜太阳能电池，铜铟镓硒太阳能电池的产业化前景可观。目前高效电池铜铟镓硒吸收层的标准三步法制造工艺中，最高温度在600oC左右，不利于产业化应用。本项目旨在开发高效电池吸收层的低温生长工艺，衬底最高温度不超过450oC。我们针对低温生长过程中存在的主要问题，包括中间化合物的相分离、元素和能带的空间分布、钠和钾元素的外导入等展开研究。提出通过改进三步法和两步法工艺解决低温下元素自扩散不足导致的相分离问题，通过主动调节原色蒸发速率优化元素和能带的空间分布，通过研究不同钠/钾元素导入方法探索并优化掺杂方案。.以高效率和适合产业化生产的工艺为目标，通过不同生长工艺的对比研究，本项目开发出铜铟镓硒电池吸收层的低温慢速三步法生长工艺。和标准高温三步法工艺相比，有四个主要变化：一是最高衬底温度不超过450oC，二是第二步结束时铜过量比例提高至10%，三是第三步的速率降至1/4，相应的生长时间延长至4倍，四是在退火的同时通过后掺杂方法导入Na和K元素。低温慢速生长工艺改善了CIGS中的Ga元素和能带的梯度，提高了CIGS晶体质量，并获得最高的小电池能量转换效率达到17.6%。.开发的低温生长工艺解决了低温生长过程中的科学和工艺难题，并具有高度的可控性和可重复性，可用于降低标准玻璃CIGS太阳能电池生产的能耗成本，也可用于未来聚酰亚胺衬底的柔性电池的产业化生产，有望促进CIGS薄膜太阳能电池的在可再生能源领域的商业化应用。