CN105405904A - 一种控制铜铟镓金属预制层在高温硒化过程中钼和硒反应的方法及铜铟镓硒薄膜太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种控制铜铟镓金属预制层在高温硒化过程中钼和硒反应的方法及铜铟镓硒薄膜太阳能电池。一种控制铜铟镓金属预制层在高温硒化过程中钼和硒反应的方法，其特征在于：在以先磁控溅射沉积铜铟镓金属预制层后高温硒化来制备铜铟镓硒光吸收层的过程中，在磁控溅射沉积铜铟镓金属预制层之前，增加两步：第一步，先在背电极钼薄膜表面磁控溅射沉积一阻挡层；第二步，在所述阻挡层表面磁控溅射沉积硒化反应层；所述铜铟镓金属预制层沉积于所述硒化反应层表面，并且在后续高温硒化生成铜铟镓硒光吸收层的过程中，所述阻挡层阻挡硒进入所述背电极钼薄膜层，所述硒化反应层同硒发生化学反应生成硒化物背接触层；所述阻挡层的成分为过渡金属氮化物或过渡金属氮氧化物，所述硒化反应层的成分为过渡金属。
Description
技术领域
本发明涉及一种铜铟镓硒（简称CIGS）薄膜太阳能电池技术领域，特别涉及一种控制铜铟镓金属预制层在高温硒化过程中背电极钼和硒反应的方法及铜铟镓硒薄膜太阳能电池。
背景技术
在现有的太阳能电池技术中，铜铟镓硒（简称CIGS）薄膜太阳能电池具有光电转化率高、弱光性能好、成本低，既可以在硬质衬底，如玻璃上成膜做成刚性组件，又可以在柔性衬底上，如不锈钢、铝和耐高温高分子材料上做成柔性组件，最适合作为光伏建筑一体化（BIPV）使用等优点，受到了人们关注，是一种很有发展潜力的太阳能电池技术。
在CIGS吸收层制备温度条件下（通常为450-590℃），金属钼不易同铜或铟合金化，不易在CIGS吸收层中扩散，具备较高的稳定性，并且同CIGS吸收层之间具有较低的接触阻抗，使其成为CIGS薄膜太阳能电池优选背电极材料。
CIGS薄膜太阳能电池的理论最高效率为33％，而现在实验室可以做到的最高效率才达到21.7％，还有很大的提高空间。CIGS薄膜太阳能电池制备方法很多，目前主流工艺有二种：一种是先在背电极/衬底基片上采用磁控溅射的方法沉积铜铟镓CIG金属预制层，然后采用预沉积硒或在硒化氢环境中快速升温热处理的方法进行硒化，形成CIGS吸收层；另一种是在高温背电极/衬底基片上采用磁控溅射或共蒸的方法同时沉积铜、铟、镓、硒四种元素，以生成CIGS吸收层薄膜。这二种主流工艺都有一个硒化过程以生成CIGS吸收层，前者发生在后续快速升温热处理过程中，后者发生在CIGS四种元素共沉积过程中。另外，在该二种制备方法中，为了确保具有最佳光电转化率的CIGS吸收层的生成，其中硒的沉积量必须超过根据CIGS摩尔比所需要的硒。在CIGS吸收层制备过程中，背电极Mo层会与过量的硒反应生成背接触层-硒化钼（MoSe2），MoSe2的厚度会影响器件性能，太薄或者太厚都不好，所以在CIGS太阳能电池制备过程中，如何控制MoSe2的厚度是制备高效CIGS薄膜太阳电池关键技术之一。
发明内容
本发明目的是提供一种控制铜铟镓金属预制层在高温硒化过程中钼和硒反应的方法及铜铟镓硒薄膜太阳能电池，以有效控制硒化物背接触层的厚度，保证器件性能。
为达到上述目的，本发明采用的方法技术方案是：一种控制铜铟镓金属预制层在高温硒化过程中钼和硒反应的方法，其特征在于：在以先磁控溅射沉积铜铟镓金属预制层后高温硒化来制备铜铟镓硒光吸收层的过程中，在磁控溅射沉积铜铟镓金属预制层之前，增加两步：第一步，先在背电极钼薄膜表面磁控溅射沉积一阻挡层；第二步，在所述阻挡层表面磁控溅射沉积硒化反应层；
所述铜铟镓金属预制层沉积于所述硒化反应层表面，并且在后续高温硒化生成铜铟镓硒光吸收层的过程中，所述阻挡层阻挡硒进入所述背电极钼薄膜层，所述硒化反应层同硒发生化学反应生成硒化物背接触层；
所述阻挡层的成分为过渡金属氮化物或过渡金属氮氧化物，所述硒化反应层的成分为过渡金属。
上述方案中，所述背电极钼薄膜层通过磁控溅射制备，背电极钼薄膜层的厚度为200-500nm。
上述方案中，所述阻挡层通过反应磁控溅射制备，阻挡层的厚度为10-50nm。
上述方案中，所述硒化反应层的厚度为20-100nm。
为达到上述目的，本发明采用的产品技术方案是：一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池，包括衬底、背电极钼薄膜层以及铜铟镓硒光吸收层，所述背电极钼薄膜层和铜铟镓硒光吸收层之间增设有一阻挡层和一硒化物背接触层，所述阻挡层覆于背电极钼薄膜层之上，而所述硒化物背接触层覆于阻挡层之上；所述阻挡层的成分为过渡金属氮化物或过渡金属氮氧化物。
上述方案中，所述阻挡层通过反应磁控溅射制备，阻挡层的厚度为10-50nm。
上述方案中，所述“过渡金属”是指元素周期表中从ⅢB族到VⅢ族的化学元素，英文为transitionelements。
本发明设计原理以及优点是：本发明主要是在以先磁控溅射沉积铜铟镓金属预制层后高温硒化来制备铜铟镓硒光吸收层的过程中，在磁控溅射沉积铜铟镓金属预制层之前，在背电极钼薄膜层表面磁控溅射沉积一层阻挡层，然后在阻挡层表面磁控溅射沉积一层硒化反应层。所述阻挡层阻止硒元素在高温硒化过程中向阻挡层下面的背电极钼薄膜层扩散，确保背电极钼薄膜层的导电性不受硒化影响，同时这层阻挡层还可以钝化背电极钼薄膜层与铜铟镓硒光吸收层的界面，抑制载流子在此界面的复合；而所述硒化反应层的厚度远小于作为背电极钼薄膜层，该硒化反应层在高温硒化过程中同硒元素反应生成硒化物背接触层，该硒化物背接触层有利于降低铜铟镓硒吸收层和背电极钼薄膜层之间的接触阻抗，提高铜铟镓硒太阳能电池的光电转化率，且该硒化物背接触层的厚度取决于硒化反应层的厚度，即实现了硒化物背接触层厚度的可控性，以便达到最优的CIGS薄膜太阳能电池性能。
附图说明
图1为本发明实施例高温硒化反应前的结构示意图；
图2为本发明实施例高温硒化反应后的结构示意图。
以上附图中：1、衬底；2、背电极钼薄膜层；3、阻挡层；4、硒化反应层；5、铜铟镓金属预制层；6、衬底；7、背电极钼薄膜层；8、阻挡层；9、硒化物背接触层；10、铜铟镓硒光吸收层。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：参见图1、图2所示：
一种控制铜铟镓（CIG）金属预制层在高温硒化过程中钼和硒反应的方法，在以先磁控溅射沉积铜铟镓（CIG）金属预制层后高温硒化来制备铜铟镓硒（CIGS）光吸收层的过程中，在磁控溅射沉积铜铟镓（CIG）金属预制层之前，增加两步：第一步，先在背电极钼薄膜表面磁控溅射沉积一阻挡层；第二步，在所述阻挡层表面磁控溅射沉积硒化反应层。所述铜铟镓（CIG）金属预制层沉积于所述硒化反应层表面，并且在后续高温硒化生成铜铟镓硒（CIGS）光吸收层的过程中，所述阻挡层阻挡硒进入所述背电极钼薄膜层，所述硒化反应层同硒发生化学反应生成硒化物背接触层。
所述阻挡层的成分为过渡金属氮化物或过渡金属氮氧化物，包括，但不限于氮化钼、氮化钛、氮化钨、氮化镍，氮氧化钼、氮氧化钛、氮氧化钨，氮氧化镍。
所述硒化反应层的成分为过渡金属，包括，但不限于钼、钛、钨、镍。
所述背电极钼薄膜层通过磁控溅射制备，背电极钼薄膜层的厚度为200-500nm。
所述阻挡层通过反应磁控溅射制备，阻挡层的厚度为10-50nm。
所述硒化反应层的厚度为20-100nm。
具体举例，一种应用本实施例的铜铟镓硒太阳能电池的铜铟镓硒光吸收层的制备工艺步骤如下：
1．把沉积有背电极钼薄膜层的衬底，切成一定的尺寸，经过去离子水，丙酮和异丙醇溶液浸泡并超声各10-30分钟，最后经氮气吹干；
2．将清洗好的沉积有背电极钼薄膜层的衬底放入真空腔室中采用反应溅射的方法溅射沉积阻挡层，该阻挡层具体为氮氧化钛TiON。溅射时，工作气压为3mtorr，溅射功率密度为3-8W/cm2，氩氮氧比为Ar/N2/O2=5/5/1，阻挡层为厚度为10nm；
3．将沉积有阻挡层的衬底，在同一真空环境中送入安装有Mo靶的真空腔室内，采用直流溅射的方法在阻挡层上面溅射沉积硒化反应层，该硒化反应层为钼Mo。溅射时，工作气压为8mtorr，溅射功率密度为3-8W/cm2，硒化反应层4为厚度为20nm；
4．将沉积有上述阻挡层氮氧化钛TiON和硒化反应层Mo的背电极，经过去离子水，丙酮和异丙醇溶液浸泡并超声各10-30分钟，最后经氮气吹干；
5．将洁净的背电极基片放入磁控溅射腔中，溅射沉积铜铟镓CIG金属预制层，此时，形成如图1所示的结构；
6．将沉积有铜铟镓CIG金属预制层5的衬底基片送入硒气相沉积装置，沉积一层硒；
7．将沉积有硒/CIG金属预制层的衬底基片送入硒化炉，硒化温度570℃,硒化时间15min，在硒化过程中，铜铟镓CIG金属预制层同硒反应生成铜铟镓硒CIGS光吸收层，形成如图2所示的高温硒化后的结构。
实施例二：参见图2所示，一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池，包括衬底6、背电极钼薄膜层7以及铜铟镓硒光吸收层10，所述背电极钼薄膜层7和铜铟镓硒光吸收层10之间增设有一阻挡层8和一硒化物背接触层9，所述阻挡层8覆于背电极钼薄膜层7之上，而所述硒化物背接触层9覆于阻挡层8之上；所述阻挡层8的成分为过渡金属氮化物或过渡金属氮氧化物。
所述阻挡层8通过反应磁控溅射制备，阻挡层的厚度为10-50nm。
实施例三：参见图1、图2所示：
一种控制铜铟镓（CIG）金属预制层在高温硒化过程中钼和硒反应的方法，在以先磁控溅射沉积铜铟镓（CIG）金属预制层后高温硒化来制备铜铟镓硒（CIGS）光吸收层的过程中，在磁控溅射沉积铜铟镓（CIG）金属预制层之前，增加两步：第一步，先在背电极钼薄膜表面磁控溅射沉积一阻挡层；第二步，在所述阻挡层表面磁控溅射沉积硒化反应层。与实施例一的不同在于：所述阻挡层的成分为氮化钼（MoN），应用本实施例的铜铟镓硒太阳能电池的铜铟镓硒光吸收层的制备工艺步骤如下：
1．把沉积有背电极钼薄膜层的衬底，切成一定的尺寸，经过去离子水，丙酮和异丙醇溶液浸泡并超声各10-30分钟，最后经氮气吹干；
2．将清洗好的衬底放入真空腔室中采用反应溅射的方法溅射沉积MoN薄膜，作为阻挡层；溅射时，工作气压为3mtorr，溅射功率密度为3-8W/cm2，氩氮比为Ar/N2=1/1，阻挡层厚度为12nm；
3．将沉积有阻挡层的衬底，在同一真空环境中送入安装有Mo靶的真空腔室内，采用直流溅射的方法在阻挡层上面溅射沉积Mo层，作为硒化反应层；溅射时，工作气压为8mtorr，溅射功率密度为3-8W/cm2，硒化反应层厚度为20nm；
4．将沉积有上述阻挡层MoN和硒化反应层Mo的背电极，经过去离子水，丙酮和异丙醇溶液浸泡并超声各10-30分钟，最后经氮气吹干；
5．将洁净的背电极基片放入磁控溅射腔中，溅射沉积CIG金属预制层；
6．将沉积有CIG金属预制层的基片送入硒化炉，硒化环境为硒化氢，硒化温度570℃，硒化时间15min；在硒化过程中，CIG金属预制层同硒反应生成铜铟镓硒CIGS光吸收层，形成如图2所示的硒化后结构示意图。
其他同实施一，这里不再赘述。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种控制铜铟镓金属预制层在高温硒化过程中钼和硒反应的方法，其特征在于：在以先磁控溅射沉积铜铟镓金属预制层后高温硒化来制备铜铟镓硒光吸收层的过程中，在磁控溅射沉积铜铟镓金属预制层之前，增加两步：第一步，先在背电极钼薄膜表面磁控溅射沉积一阻挡层；第二步，在所述阻挡层表面磁控溅射沉积硒化反应层；
所述铜铟镓金属预制层沉积于所述硒化反应层表面，并且在后续高温硒化生成铜铟镓硒光吸收层的过程中，所述阻挡层阻挡硒进入所述背电极钼薄膜层，所述硒化反应层同硒发生化学反应生成硒化物背接触层；
所述阻挡层的成分为过渡金属氮化物或过渡金属氮氧化物，所述硒化反应层的成分为过渡金属。
2.根据权利要求1所述控制铜铟镓金属预制层在高温硒化过程中钼和硒反应的方法，其特征在于：所述背电极钼薄膜层通过磁控溅射制备，背电极钼薄膜层的厚度为200-500nm。
3.根据权利要求1所述控制铜铟镓金属预制层在高温硒化过程中钼和硒反应的方法，其特征在于：所述阻挡层通过反应磁控溅射制备，阻挡层的厚度为10-50nm。
4.根据权利要求1所述控制铜铟镓金属预制层在高温硒化过程中钼和硒反应的方法，其特征在于：所述硒化反应层的厚度为20-100nm。
5.一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池，包括衬底、背电极钼薄膜层以及铜铟镓硒光吸收层，其特征在于：所述背电极钼薄膜层和铜铟镓硒光吸收层之间增设有一阻挡层和一硒化物背接触层，所述阻挡层覆于背电极钼薄膜层之上，而所述硒化物背接触层覆于阻挡层之上；所述阻挡层的成分为过渡金属氮化物或过渡金属氮氧化物。
6.根据权利要求5所述铜铟镓硒薄膜太阳能电池，其特征在于：所述阻挡层通过反应磁控溅射制备，阻挡层的厚度为10-50nm。
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