CN105244416B - 一种铜锑硒太阳能电池光吸收层薄膜的低温沉积工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铜锑硒太阳能电池光吸收层薄膜的低温沉积工艺，其中光吸收层铜锑硒采用多源共蒸发沉积工艺制备，用束源炉蒸发各组成元素，能精确控制各源的蒸发速率至“埃每秒”量级，尤其能降低沉积速率、微调铜和锑的比例，由于铜锑硒熔点较低，且降低沉积速率可促进薄膜有序外延生长、提高结晶性，经优化薄膜沉积工艺。本发明在衬底温度低于300度即可制备出结晶性良好、符合化学计量比的铜锑硒薄膜。本发明制备方法相对于传统的热蒸发法降低了沉积温度，节约了生产成本，并为制备柔性衬底太阳能电池打下基础。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种太阳能电池光吸收层薄膜的制备方法，具体地说是一种铜锑硒太阳能电池光吸收层薄膜的低温沉积工艺。
二、背景技术
铜锑硒(CuSbSe2)类似于传统的高效薄膜太阳能电池吸收层铜铟镓硒(CIGS)，具有光吸收系数高、带隙与太阳光谱匹配的优点，但与铜铟镓硒相比，铜锑硒的有独特的优点：第一，其组分元素锑比铟和镓的价格低，可节约原料成本；第二，其熔点远低于铜铟镓硒，可大大降低衬底温度，节约生产成本；第三，降低衬底温度有利于制备以不耐高温的聚合物材料为衬底的柔性太阳能电池。因此，铜锑硒被认为是最有潜力的新一代太阳能电池吸收层材料。
铜锑硒光吸收层是电池最核心的一层。目前对该材料的文献报道较少，已有报道多采用非真空工艺制备铜锑硒光吸收层，如溶液法，该类工艺普遍需要较高温度的后期热处理以提高薄膜结晶性，由于大面积薄膜的高温热处理工艺能耗高，且其均匀性和可控性都较差，因此加大了生产过程的复杂性和可重复性，提高了生产成本，不易产业化。此外，非真空法用到各类有机和无机溶剂、盐类、络合剂等，易在薄膜中引入杂质，降低电池性能。相比而言，真空法由于在真空环境中生长薄膜，结晶性和纯度都较高，但大部分采用真空法制备的太阳能电池吸收层由于熔点较高，普遍需要较高的衬底温度，如铜铟镓硒、铜锌锡硫、碲化镉等，需要500-600℃的衬底温度，不仅能耗高，而且不利于制备柔性太阳能电池，例如以聚酰亚胺等聚合物为衬底的柔性电池。此外，薄膜的结晶性与沉积速率有很大关联，普通的钨舟热蒸发以及磁控溅射，由于沉积速率较快，导致薄膜存在缺陷和应力，会在太阳能电池中造成大量光生载流子复合，降低电池效率。分子束外延炉(简称“束源炉”)一般用于分子束外延系统，可精确控制蒸发源的蒸发速率，采用以束源炉为蒸发装置的多源热蒸发镀膜系统，可将蒸发源的蒸发速率控制在10埃每秒以内，降低了沉积速率并可精确控制各组分比例，使薄膜在衬底上外延生长，大大降低了缺陷密度和应力，提高了结晶性，是制备器件级多元化合物半导体的最佳方法之一。
为降低生产能耗，也为发展柔性太阳能电池，客观上需要在保证薄膜结晶性的前提下，降低吸收层制备的衬底温度。本发明的共蒸发法，采用分子束外延的束源炉，经优化制备工艺，可在300℃以下的衬底温度制备结晶性较好的铜锑硒薄膜。
三、发明内容
本发明旨在提供一种铜锑硒太阳能电池光吸收层薄膜的低温沉积工艺，所要解决的技术问题是在较低衬底温度下得到结晶性良好、成分符合化学计量比的铜锑硒薄膜。
本发明铜锑硒太阳能电池光吸收层薄膜的低温沉积工艺，采用共蒸法，包括如下步骤：
将镀钼玻璃衬底置于多源热蒸发镀膜系统的衬底上并抽真空至5×10-4Pa，将铜、锑和硒的束源炉温度分别升温至1100-1200℃、500-600℃以及200-300℃，由晶振膜厚仪对铜和锑的蒸发速率分别进行实时测量，根据测量值微调铜和锑的束源炉温度，使铜和锑的蒸发速率分别在20埃每秒以下，并分别保持恒定，硒始终保持过量蒸发，抑制薄膜中产生硒空位缺陷；将衬底温度升至250-290℃并保持恒定，打开衬底挡板和锑、硒束源炉挡板，向镀钼玻璃衬底表面先蒸镀锑和硒20-30分钟；然后打开铜束源炉挡板，同时蒸镀铜、锑、硒80-90分钟；最后关闭铜、锑束源炉挡板，再继续蒸镀硒20-30分钟；蒸镀结束后将衬底温度降至室温得到铜锑硒(CuSbSe2)薄膜。
铜、锑和硒的蒸镀量是通过束源炉温度和蒸镀时间来调控的。
硒采用双源蒸镀，即两个束源炉同时蒸镀，其目的是提高镀膜真空腔体内硒的蒸气压。
本发明通过共蒸发法制备铜锑硒薄膜采用的设备是多源热蒸发镀膜系统，由机械泵、分子泵、真空腔体、束源炉、温控仪、衬底加热器、衬底旋转机构、闸板阀、真空计等部件构成。该系统可实现对多个蒸发源独立精确控温，同时可对衬底加热控温，用于制备多元化合物半导体薄膜。
衬底加热器的加热方式为非接触加热，加热器和衬底间保持1-5毫米间距，加热器通过红外热辐射的方式对衬底加热，确保衬底各处受热均匀。
本发明共蒸发法制备铜锑硒薄膜的具体步骤如下：
1、将镀钼玻璃衬底固定在多源热蒸发镀膜系统的衬底上，关闭腔体，用机械泵和分子泵将腔体内部的背景真空抽至5×10-4Pa，启动束源炉加热器，并确保束源炉挡板和衬底挡板关闭。
2、将铜、锑和硒(双源)的束源炉温度分别升至1100-1200℃、500-600℃以及200-300℃。由晶振膜厚仪对铜和锑的蒸发速率分别进行实时测量，根据测量值微调铜和锑的束源炉温度，使铜和锑的蒸发速率分别在20埃每秒以下，并分别保持恒定，硒始终保持过量蒸发，抑制薄膜中产生硒空位缺陷；
3、衬底加热器由室温开始升温，3-8分钟升至250-290℃并保持恒定，此时打开锑、硒(双源)束源炉挡板，对镀钼玻璃衬底蒸发锑、硒，蒸镀时间20-30分钟；之后，打开铜束源炉档板，对镀钼玻璃衬底同时蒸发铜、锑、硒，保持80-90分钟，然后关闭铜、锑束源炉档板，对镀钼玻璃衬底继续蒸镀硒20-30分钟；蒸镀结束后将衬底温度降至室温得到铜锑硒薄膜。
本发明方法制备的铜锑硒(CuSbSe2)薄膜结晶性好，为硫铜锑矿结构，无杂相。
降低铜锑硒薄膜的衬底温度对于节约生产成本、发展柔性电池具有重要意义，尤其是工业化大面积电池的生产，降低衬底温度至300℃以下将节约大量电能。对制造柔性太阳能电池，300℃以下将不会对聚合物衬底造成影响。本发明方法的共蒸发沉积工艺，将衬底温度始终维持在290℃以下，金属源的蒸发速率始终维持在20埃(即2纳米)每秒以内，可有效提高初始阶段薄膜的成核密度，并使其始终保持外延有序生长，降低缺陷密度。先沉积锑和硒，可有效提高薄膜与钼衬底之间的附着力，之后同时共蒸铜、锑、硒时，可通过晶振仪监控铜和锑的蒸发速率比，并微调该比值使薄膜成分最终达到化学计量比。最后在硒气氛中延长热处理时间，可进一步提高铜锑硒的结晶性。始终采用双硒源同时蒸硒，可确保镀膜真空腔体内始终维持较高的硒蒸汽压，抑制p型铜锑硒薄膜中硒空位施主的生成，优化其电学性能。
四、具体实施方式
实施例1：铜锑硒(CuSbSe2)薄膜的制备
1、将镀钼玻璃衬底固定在多源热蒸发镀膜系统的衬底上，关闭腔体，用机械泵和分子泵将腔体内部的背景真空抽至5×10-4Pa，启动束源炉加热器，并确保束源炉挡板和衬底挡板关闭。
2、将铜、锑和硒(双源)的束源炉温度分别升至1110-1130℃、520-540℃以及240℃，由晶振膜厚仪对铜和锑的蒸发速率分别进行实时测量，根据测量值微调铜和锑的束源炉温度，使铜和锑的蒸发速率分别在20埃每秒以下，最终铜1120℃，锑530℃，并分别保持恒定。
3、衬底加热器由室温开始升温，10分钟升至270℃并保持恒定，此时打开锑、硒(双源)束源炉挡板，对镀钼玻璃衬底蒸发锑、硒，蒸镀时间25分钟；之后，打开铜束源炉档板，对镀钼玻璃衬底同时蒸发铜、锑、硒，保持85分钟，然后关闭铜、锑束源炉档板，对镀钼玻璃衬底继续蒸镀硒25分钟；蒸镀结束后将衬底温度降至室温得到铜锑硒(CuSbSe2)薄膜。
实施例2：铜锑硒(CuSbSe2)薄膜的制备
1、将镀钼玻璃衬底固定在多源热蒸发镀膜系统的衬底上，关闭腔体，用机械泵和分子泵将腔体内部的背景真空抽至5×10-4Pa，启动束源炉加热器，并确保束源炉挡板和衬底挡板关闭。
2、将铜、锑和硒(双源)的束源炉温度分别升至1100-1120℃、510-530℃以及240℃，由晶振膜厚仪对铜和锑的蒸发速率分别进行实时测量，根据测量值微调铜和锑的束源炉温度，使铜和锑的蒸发速率分别在20埃每秒以下，最终铜1110℃，锑520℃，并分别保持恒定。
3、衬底加热器由室温开始升温，9分钟升至260℃并保持恒定，此时打开锑、硒(双源)束源炉挡板，对镀钼玻璃衬底蒸发锑、硒，蒸镀时间30分钟；之后，打开铜束源炉档板，对镀钼玻璃衬底同时蒸发铜、锑、硒，保持90分钟，然后关闭铜、锑束源炉档板，对镀钼玻璃衬底继续蒸镀硒30分钟；蒸镀结束后将衬底温度降至室温得到铜锑硒(CuSbSe2)薄膜。
Claims (5)
1.一种铜锑硒太阳能电池光吸收层薄膜的低温沉积工艺，采用共蒸法，其特征在于包括如下步骤：
将镀钼玻璃衬底置于多源热蒸发镀膜系统的衬底上并抽真空至5×10-4 Pa，将铜、锑和硒的束源炉温度分别升温至1100-1200℃、500-600℃以及200-300℃；将镀钼玻璃衬底温度升至250-290℃并保持恒定，打开衬底挡板和锑、硒束源炉挡板，向镀钼玻璃衬底表面先蒸镀锑和硒20-30分钟；然后打开铜束源炉挡板，同时蒸镀铜、锑、硒80-90分钟；最后关闭铜、锑束源炉挡板，再继续蒸镀硒20-30分钟；蒸镀结束后将镀钼玻璃衬底温度降至室温得到铜锑硒薄膜。
2.根据权利要求1所述的低温沉积工艺，其特征在于：
铜和锑的蒸发速率分别≤20埃每秒，并分别保持恒定。
3.根据权利要求1所述的低温沉积工艺，其特征在于：
硒始终保持过量蒸发。
4.根据权利要求1所述的低温沉积工艺，其特征在于：
硒采用双源蒸镀。
5.根据权利要求1所述的低温沉积工艺，其特征在于：
衬底加热器的加热方式为非接触加热，加热器和衬底间保持1-5毫米间距，加热器通过红外热辐射的方式对衬底加热，确保衬底各处受热均匀。
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