CN102214735A - 一种铜铟镓硒/硫太阳电池吸收层的制备方法 - Google Patents

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彭寿
王芸
任志艳
马给民
石玉英
曹欣
曹志强
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Abstract

本发明涉及一种铜铟镓硒/硫太阳电池吸收层的制备方法，其特征在于：首先在衬底上沉积底层导电膜，然后在底层导电膜上制备铜铟镓硒/硫薄膜，铜铟镓硒/硫薄膜沉积形成后，被置入热处理室进行热处理，所述的在底层导电膜上制备铜铟镓硒/硫薄膜是以氩气为溅射气体，以铜铟镓硒/硫合金靶为靶材，通过直流脉冲磁控溅射的方法来沉积形成的。本发明的有益效果是：①制备过程均在真空状态下完成，衬底没有暴露在大气，为制备出优质的薄膜提供了良好的环境基础；②避免了使用硒化氢/硫等有毒气体，提高了镀膜的安全性；③采用直流脉冲磁控溅射的方法制备铜铟镓硒/硫可以获得高致密性和高均匀度的薄膜，且容易实现连续生产。

Description

一种铜铟镓硒/硫太阳电池吸收层的制备方法
技术领域
本发明涉及一种铜铟镓硒/硫太阳电池吸收层的制备方法，属于光电材料新能源领域。
背景技术
铜铟镓硒（Cu(In,Ga)Se2，简称CIGS）薄膜太阳电池被认为是新一代最有前途的太阳电池，黄铜矿结构的铜铟硒（CIS）或掺镓形成的铜铟镓硒（CIGS）化合物是直接带隙材料，以其作为吸收层的太阳电池被认为是最有前景的太阳电池。自20世纪90年代以来，在薄膜电池中铜铟镓硒电池是转换效率最高的薄膜电池。2010年8月，德国太阳能和氢研究中心（ZSW）制造的铜铟镓硒太阳电池将实验室最高转换效率刷新为20.3%，这个记录将铜铟镓硒与多晶硅太阳电池的效率的差距缩小为0.1%，并且铜铟镓硒太阳电池还具有成本低，寿命长，弱光性好，抗辐射，吸收波段宽，可柔性等多方面优点，可见有很大的发展前景。
铜铟镓硒太阳电池的结构一般为：衬底/金属背电极/光吸收层（铜铟镓硒层）/过渡层/窗口层/透明电极层，铜铟镓硒光吸收层的制备是铜铟镓硒薄膜太阳电池的核心工艺。
铜铟镓硒光学吸收层薄膜制备工艺主要有两种：第一种是共蒸发，它是将Cu、In、Ga和Se作源在真空室中进行反应共蒸发，或Cu+Se、In+Se 、Ga+Se等二元分步共蒸发；第二种是金属预置层后硒化的方法。共蒸发方法的特点是薄膜的晶粒大，容易实现元素的梯度分布，电池的转换效率高，但是该方法对设备要求严格，蒸发过程不容易控制，大面积与连续化生产难度大；第二类方法是先在衬底上按化学式的配比量沉积Cu、In、Ga金属预置层（包括其合金），再在真空热处理室内与饱和硒蒸汽进行硒化反应，最终生成满足化学配比的铜铟镓硒（Cu(In,Ga)Se2）半导体多晶薄膜。
由于铜铟镓硒太阳电池中硒元素为稀有元素，用硫来代替硒对电池的效率影响不大，所以用硫来代替硒也被广泛的研究，同样用硫代替硒，也可进行硫化反应生成满足化学配比的铜铟镓硫（Cu(In,Ga)S2）半导体多晶薄膜。金属预置层的制备的成膜工艺已比较成熟，硒化的方法主要有两种，一是将沉积过金属预置层的衬底放入真空热处理室，到一定温度时通入H2Se(H2Se+Ar)气体，分解出来的硒原子与金属预置层反应逐步生成铜铟镓硒半导体薄膜材料，且将通入的气体换作H2S（H2S+Ar）也可制成铜铟镓硫半导体薄膜材料；另一种方法是在热处理室中对固态的硒源蒸发，使硒原子与预置层金属发生化学反应，逐步转变成铜铟镓硒半导体薄膜，将固态的硒源换作硫源也可制成铜铟镓硫半导体薄膜材料，后继的硒（硫）化过程对工艺较为苛刻和复杂，不易控制，且H2Se(H2S)有毒，在生产中会存在着安全隐患。
发明内容
本发明的目的就是为了克服现有制备铜铟镓硒光学吸收层薄膜的工艺工程不易控制的缺陷，而提供一种铜铟镓硒/硫太阳电池吸收层的制备方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种铜铟镓硒/硫太阳电池吸收层的制备方法，其特征在于：首先在衬底上沉积底层导电膜，然后在底层导电膜上制备铜铟镓硒/硫薄膜，铜铟镓硒/硫薄膜沉积形成后，被置入热处理室进行热处理，所述的在底层导电膜上制备铜铟镓硒/硫薄膜是以氩气为溅射气体，以铜铟镓硒/硫合金靶为靶材，通过直流脉冲磁控溅射的方法来沉积形成的。
上述的主要技术方案的基础上，可以增加以下进一步完善的技术方案：
所述的直流脉冲磁控溅射的频率为50-250Hz。
所述的直流脉冲磁控溅射脉冲宽度为320-1600ns。
所述的沉积底层导电膜和在底层导电膜上制备铜铟镓硒/硫薄膜均是在真空条件下进行的。
所述的直流脉冲磁控溅射的真空度为4×10-1—8×10-1Pa。
所述的热处理是在低真空条件下进行的。
所述的热处理是在550℃的温度下进行的。
所述的铜铟镓硒/硫薄膜的厚度约为1.5μm。
所述的在衬底上沉积底层导电膜是通过磁控溅射的方法在衬底上沉积Mo形成的。
本发明的有益效果是①制备过程均在真空状态下完成，衬底没有暴露在大气，为制备出优质的薄膜提供了良好的环境基础；②避免了使用硒化氢/硫等有毒气体，提高了镀膜的安全性；③采用直流脉冲磁控溅射的方法制备铜铟镓硒/硫可以获得高致密性和高均匀度的薄膜，且容易实现连续生产。
具体实施方式
本发明一种铜铟镓硒/硫太阳电池吸收层的制备方法，包括以下步骤：
制备底层导电膜：先将所有溅射室的真空度抽到所需的本底真空度1×10-5Pa，开启门阀，将清洗后的钠钙玻璃送入进口室，对进口室进行抽真空，当进口室的真空度与镀膜室的真空度相当时，打开门阀将玻璃传送到镀膜室，利用磁控溅射制成底层的金属导电膜Mo。
制备铜铟镓硒/硫薄膜：将已沉积过Mo的衬底经门阀，过度室，门阀，传送到镀膜室，调节镀膜室氩气的流量和真空泵的抽速使溅射气压保持在4×10-1—8×10-1Pa之间，优选气压保持在6×10-1Pa，调节电源的直流脉冲频率及宽度，频率控制在50-250Hz之间，优选频率控制在150Hz，脉冲宽度控制在320-1600ns之间，优选脉冲宽度控制在1000ns，以氩气为溅射气体，以铜铟镓硒/硫合金靶为靶材，利用直流脉冲溅射铜铟镓硒薄膜材料。
热处理：将已沉积过铜铟镓/硫薄膜材料的衬底经过门阀，过度室，门阀，传送到热处理室，热处理室是低真空状态且有氮气保护，热处理温度在550℃，最后得到铜铟镓硒/硫太阳电池的吸收层，所述的铜铟镓硒/硫薄膜的厚度约为1.4—1.6μm。

Claims (9)

1.一种铜铟镓硒/硫太阳电池吸收层的制备方法，其特征在于：首先在衬底上沉积底层导电膜，然后在底层导电膜上制备铜铟镓硒/硫薄膜，铜铟镓硒/硫薄膜沉积形成后，被置入热处理室进行热处理，所述的在底层导电膜上制备铜铟镓硒/硫薄膜是以氩气为溅射气体，以铜铟镓硒/硫合金靶为靶材，通过直流脉冲磁控溅射的方法来沉积形成的。
2.根据权利要求1所述的一种铜铟镓硒/硫太阳电池吸收层的制备方法，其特征在于：所述的直流脉冲磁控溅射的频率为50-250Hz。
3.根据权利要求1或2所述的一种铜铟镓硒/硫太阳电池吸收层的制备方法，其特征在于：所述的直流脉冲磁控溅射脉冲宽度为320-1600ns。
4.根据权利要求1所述的一种铜铟镓硒/硫太阳电池吸收层的制备方法，其特征在于：所述的沉积底层导电膜和在底层导电膜上制备铜铟镓硒/硫薄膜均是在真空条件下进行的。
5.根据权利要求4所述的一种铜铟镓硒/硫太阳电池吸收层的制备方法，其特征在于：所述的直流脉冲磁控溅射的真空度为4×10-1—8×10-1Pa。
6.根据权利要求1所述的一种铜铟镓硒/硫太阳电池吸收层的制备方法，其特征在于：所述的热处理是在低真空条件下进行的。
7.根据权利要求1或6所述的一种铜铟镓硒/硫太阳电池吸收层的制备方法，其特征在于：所述热处理是在550℃的温度下进行的。
8.根据权利要求1所述的一种铜铟镓硒/硫太阳电池吸收层的制备方法，其特征在于：所述的铜铟镓硒/硫薄膜的厚度为1.4—1.6μm。
9.根据权利要求1所述的一种铜铟镓硒/硫太阳电池吸收层的制备方法，其特征在于：所述的在衬底上沉积底层导电膜是通过磁控溅射的方法在衬底上沉积Mo形成的。
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