基于CuSe的快速热处理硒化工艺研究

Cu(In,Ga)Se2 (CIGS)-based solar cells have been touted as the most promising thin film solar cell technology for the cost-effective power generation. And the selenization using the rapid thermal process (RTP) is the most promising formation technology for CIGS absorber. When compared with other countries, however, it is also at low level for the RTP-selenized CIGS solar cells at home due to lack of key techniques. In this project, we propose a new approach to prepare the CIGS film based on the "liquid-solid" growth module for RTP process where the CuSe acts as a flux agent. We fulfill the formation of CuSe-phase without any decomposition and prevent the formation of other secondary pahse such as Cu2Se during RTP process. Meanwhile we also fulfill the presence of liquid CuSe at higher temperature before it is consumed completely to CIGS. So, the CIGS films grow under the "liquid-solid" module and the high-quality CIGS films are formed. Using it as a base, we summarize the mechanism of the CIGS "liquid-solid" growth module for the RTP selenization where the CuSe acts as the flux agent. We think the mechanism is important not only for the R&D of RTP selenized CIGS, but also for the formation of the next generation of thin film solar cells such as Cu2ZnSnS4 (CZTS).

铜铟镓硒（CIGS）是第二代薄膜太阳能产品中最有前途的电池，也是未来光伏太阳能电池的主流产品。快速热处理硒化工艺是一种最有潜力的CIGS制备方法。但是国内以此工艺制备的CIGS电池性能却远远落后于国际水平，其主要原因在于对快速硒化工艺的核心技术研究不够深入。在本课题中，我们将"液态-固态"薄膜生长模式理论与快速热处理工艺相结合，提出在快速热处理过程中利用低熔点的CuSe为助熔剂的"液态-固态"生长模式来制备CIGS：在快速加热过程中形成稳定的CuSe并确保在高温下以液态形式长时间地维持，确保CIGS在液态CuSe的作用下以"液态-固态"模式生长，以制备高质量CIGS薄膜及高效率电池。总结并建立快速硒化工艺的基于CuSe的CIGS"液态-固态"成长机制，为CIGS及新一代铜锌锡硫薄膜太阳能电池的制备提供理论参考。

铜铟镓硒（CuIn1-XGaXSe2，简称CIGS）薄膜太阳电池具有成本低、性能稳定、抗辐射能力强等优点，且其光电转换效率是目前各种薄膜太阳电池之首，光谱响应范围宽，被国际上称为下一代最有前途的太阳能电池，是未来光伏电池的主流产品。快速热处理硒化工艺采用固体硒为硒源，快速退火处理制备CIGS， 此方法具有相对安全、原料节省、处理时间短、产量高、适合大面积生产，是一种最有潜力的实现大面积CIGS量产的制备方法。国内CIGS太阳能电池的快速热处理硒化工艺研发起步较晚，技术水平远远落后于国际水准——其主要原因是硒化工艺的一些关键技术还没有完全掌握，以及在此基础上的设备设计、制造技术一直被国外所垄断。.在本课题中，我们采用直流磁控溅射法制备金属预制层、在Se/S氛围内快速退火处理来制备CIGS。 我们提出了“液态-固态”薄膜生长模式理论与快速热处理工艺相结合，利用低熔点的CuSe为助熔剂的“液态-固态”生长模式来制备CIGS. 通过对退火工艺的控制，在快速加热过程中形成稳定的CuSe 并确保在高温下以液态形式长时间地维持，确保CIGS 在液态CuSe 的作用下以“液态-固态”模式生长，从而制备出高质量的CIGS薄膜。.通过对本项目的研究实施，首先考察了影响CIGS薄膜的分层、分相的问题的关键因素，发现前驱体的叠层方式对CIGS薄膜的分层、分相问题起着至关重要的作用。采用前驱体双层叠层的方式，解决了在CIGS薄膜中普遍存在的分层、分相的问题。在此基础上，考察了退火工艺及Na离子处理对CIGS薄膜的影响，发现退火工艺及NaF处理对CIGS薄膜的质量影响起着至关重要的作用。因此，通过对以上各个工艺的优化后，制备出了组分均匀、无分层、无分相、结晶质量较好的CIGS薄膜，并制备出了效率高于17%的光伏器件，达到了国际先进水平。为国内制备高效率CIGS及量产化提供了技术参考。