效率超过14%的直接溅镀铜铟镓硒吸收层并搭配碱金属后退火处理之薄膜太阳能电池

直接溅镀单一四元靶且不须后硒化的铜铟镓硒薄膜制程,是一非常具有商业化潜力的制程。然而,过去报导的用四元钯溅镀制备的铜铟镓硒太阳电池之效率,皆只有10~11%,其问题出在溅镀制程时,因为没有额外的硒供给,造成硒的浓度偏低。这里,我们藉由氟化钠与氟化钾后处理,可使效率显著提升至14.1%。不同碱金属后退火的效应在此研究中被探讨。经过钾后处理,铜缺乏的表面并没有被观测到,取而代之的是更有效的补偿硒空孔,因此能有效解决四元靶的本质硒缺乏问题。藉由后续搭配钠的后处理,能抑制铟占铜的缺陷,大幅提升少数载子生命周期与组件效率。

有鉴于能源危机,绿色能源的开发,在未来扮演重要之角色,其中又以太阳能电池为大宗。铜铟镓硒薄膜太阳能电池被认为是一具有潜力部分取代主流硅太阳能电池的材料。然而,目前主流制作铜铟镓硒吸收层的方法皆十分复杂,例如:三阶段共蒸镀制程或是溅镀前驱层搭配硒硫化制程,此皆造成了许多制程成本的提升与时间上的浪费。台湾国立清华大学材料系赖志煌教授的研究团队,开发一阶段溅镀四元靶材且不需后硒化制程,来制备铜铟镓硒吸收层。此制程能够符合在大面积镀膜下进一步简化制程,十分具有产业价值。然而,目前以此制程所制备的铜铟镓硒薄膜太阳能电池,容易遇到硒供应不充足的现象,导致组件转换效率约只有10~11%。

AENM-laizhihuang

此篇文章中,赖志煌教授的研究团队,针对四元靶制程之硒缺乏问题提出具体解决方案。在一阶段四元靶溅镀制程之后,搭配采用氟化钠与氟化钾的后退火处理,成功提升铜铟镓硒薄膜太阳能电池的转换效率超过14%,是目前此类制程之最高效率。并针对碱金属后退火制程,对铜铟镓硒薄膜的影响,进行了详细的论述。

文献中提到,氟化钾的后退火处理,会使共蒸镀之铜铟镓硒薄膜形成一铜缺乏的表面,因此能进一步提升转换效率;然而,铜缺乏的表面并没有在经过氟化钾后处理的四元靶制程之铜铟镓硒薄膜上被观测到。但是,此研究发现:氟化钾后处理比氟化钠后处理,更能有效的消除硒缺乏环境下,所造成的硒空孔,此为氟化钾后处理使组件电性改善的主因之一。

此项研究的成果,将为直接溅镀四元靶材制程,开创新的未来与思维。氟化钾后处理克服了此制程本质上的硒缺乏问题,因此,搭配氟化钠后退火能抑制薄膜内的铟占铜缺陷,更进一步提升组件的少数载子生命周期与转换效率。值得一提的是,此研究所采用的铜铟镓硒吸收层是单一能隙,未来搭配吸收层之能隙梯度设计,将有机会达到更高之效率。相关论文已在在线发表于Advanced Energy materials (DOI: 10.1002/aenm.201602571),第一作者为清华大学材料所博士生许家豪。