CN109913812A - 一种用于制备cigs薄膜的磁控溅射法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于制备CIGS薄膜的磁控溅射法，其中，所述磁控溅射法包括在基材上依次磁控溅射Mo层、高温蒸镀CIGS层，并化学气相沉积法制备AZO层，其中化学气相沉积法的反应温度为400～600℃，反应1～3h，反应气压0.1～1Pa，以氧气为保护气体，以锌源为前驱物，加入铝源掺杂剂，制备AZO层。本发明采用磁控溅射与高温蒸镀结合的方法制备CIGS薄膜，制备的CIGS薄膜在电镜下观察薄膜晶体呈规则的柱状生长，晶粒大小均一，光学性能良好，界面清晰，本方法对制备环境的要求低，无需高压或催化剂，物相和形貌可控性好，成本低，产量大，对环境无危害，适合工业生产。

Description

一种用于制备CIGS薄膜的磁控溅射法

技术领域

本发明涉及一种用于制备CIGS薄膜的磁控溅射法，属于化学镀膜领域。

背景技术

铜铟镓硒(CIGS)薄膜电池是近年来发展最快、最有前景的一类新型光伏电池，CIGS是薄膜太阳能电池主吸收层材料的最佳选择之一。目前，制备CIGS薄膜的方法主要有两种：“三步共蒸法”(三步法)和“预制层硒化法”(两步法)。三步共蒸法是目前应用最广泛也是最受研究人员青睐的工艺，该方法制备的CIGS薄膜太阳能电池的效率已高达19.99％。而预制层硒化法，工艺流程容易控制，适合产业化生产。三步法能够在小样片上制备出高效率的电池器件，但对控制的精确要求和工艺的复杂程度使其难以推广到大规模生产线。

CIGS薄膜电池是一种多层薄膜结构组件，主要包括基底、Mo背电极层、CIGS吸收层、Cds过渡层和AZO或ZnO导电层，部分还包括MgF₂减反射层。CIGS吸收层是整个CIGS薄膜的核心层，但CIGS层的质量好坏与各层结构均有关系，尤其是Mo背电极层和导电层，更是影响着整个CIGS太阳能电池的效率。

现有的CIGS太阳能电池常用的制备工艺是复合式制备工艺，除CIGS层的研究始终未停止之外，其余各层一般均采用常规的制备工艺进行制备，研究较少，目前较为成熟的制备工艺是磁控溅射、MOCVD等。但由于CIGS薄膜太阳能电池的研发的深入，内部结构的不断升级和优化，基材种类、尺寸的不断革新，现有的制备工艺已经不能满足太阳能电池的制备需求，因此急需开发一种低耗能、高效率的制备CIGS的磁控溅射法。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是基于现有的磁控溅射法，获得一种用于制备CIGS薄膜的磁控溅射法。

为实现上述发明目的，本发明采用的用于制备CIGS薄膜的磁控溅射法的技术方案如下：

本发明中的磁控溅射法包括在基材上依次磁控溅射Mo层、高温蒸镀CIGS层，以及化学气相沉积法制备AZO层，本发明中的磁控溅射法为连续的，在基材上依次磁控溅射Mo层、高温蒸镀CIGS层，并化学气相沉积法制备AZO层，其中化学气相沉积法的反应温度为400～600℃，反应1～3h，反应气压0.1～1Pa，并以氧气为保护气体，以锌源为前驱物，加入铝源掺杂剂，制备AZO层。

优选的，基材为玻璃或PI薄膜。

优选的，化学气相沉积法的升温方式为阶梯升温。

更优选的，阶梯升温的升温速率为15℃/min。

优选的，磁控溅射化学气相沉积的保护气为氧气，氧气由氧源提供。

优选的，锌源与铝源的配制比例为20～25:1。

优选的，Mo层的磁控溅射温度为80～120℃，溅射时间40～80min，溅射功率为50～70W。

优选的，CIGS层的真空蒸镀环境温度为至少600℃，环境气压为10^-5Pa，蒸发后自然冷却至150℃左右。

优选的，CIGS的四种元素粉末的配置比例按原子百分比为：Cu：21.65％，In：19.16％，Ga：6.12％，Se：53.08％，且Cu/(In+Ga)＝0.85，Ga/(In+Ga)＝0.24，Se/(Cu+In+Ga)＝1.13。

优选的，CIGS薄膜还包括Cds过渡层。

更优选的，Cds过渡层采用磁控溅射的方式制备，衬底温度150℃，溅射时间30min，溅射功率为40W。

优选的，锌源为二乙基锌或Zn(CH₃COO)₂，氧源为O₂、H₂O、CO₂和乙醇的混合气体，掺杂铝源由三乙基铝、氯化铝或硝酸铝组成。

制备好的CIGS薄膜的Mo层厚度为0.5～1μm，CIGS层厚度为1.5～2μm，Cds过渡层厚度为0.03～0.05μm，AZO导电层厚度为0.05～0.09μm。

与现有技术相比，本发明采用磁控溅射与高温蒸镀结合的方法制备CIGS薄膜，制备的CIGS薄膜在电镜下观察薄膜晶体呈规则的柱状生长，晶粒大小均一，光学性能良好，界面清晰，CIGS薄膜的吸收系数可达5×10⁵cm^-1，电阻率可以达到10-5Ω·cm，透过率达到85％以上，光转化效率可以达到30％。本方法对制备环境的要求低，无需高压或催化剂，物相和形貌可控性好，成本低，产量大，对环境无危害，适合工业生产。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明提供的用于制备CIGS薄膜的磁控溅射法作进一步详细、完整地说明。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的实验材料如无特殊说明，均为市场购买得到。

本发明中的CIGS薄膜的多层膜结构主要依次包括：PI薄膜层、Mo背电极层、CIGS吸收层、Cds过渡层及AZO导电层，其中：

Mo背电极层采用磁控溅射的方法制备，衬底温度100℃，溅射时间60min，溅射功率为60W；

CIGS吸收层采用真空蒸镀的方法制备，将四种元素粉末以(原子百分比)：Cu：21.65％，In：19.16％，Ga：6.12％，Se：53.08％，且Cu/(In+Ga)＝0.85，Ga/(In+Ga)＝0.24，Se/(Cu+In+Ga)＝1.13的比例进行混合，混合后称取350mg进行蒸镀，采用本公司自行研发的蒸镀设备，进行立式连续蒸镀，蒸镀时保持10^-5Pa的高真空环境，蒸镀时室内温度600℃，蒸发源内部温度为500～1300℃；蒸镀后逐渐冷却至150℃左右；

Cds过渡层采用磁控溅射的方式制备，衬底温度150℃，溅射时间30min，溅射功率为40W；

AZO导电层采用化学气相沉积法，采用锌源(二乙基锌或Zn(CH₃COO)₂)，氧源(O₂、H₂O、CO₂和乙醇)等和掺杂铝源(三乙基铝、氯化铝或硝酸铝)在Cds表面进行化学反应，保护气为氧源，锌源与掺杂铝源的配制比例为100:4，将锌源和掺杂铝源置入密封的沉积室内，室内气压为0.1Pa，腔内温度400℃，腔内温度逐渐加热，以15℃/min的升温速度加热至400℃，反应2h，反应后自然冷却，冷却后得到制备完成CIGS薄膜。

最后有必要在此说明的是：以上实施例只用于对本发明的技术方案作进一步详细地说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于制备CIGS薄膜的磁控溅射法，其特征在于：所述磁控溅射法包括在基材上依次磁控溅射Mo层、高温蒸镀CIGS层，并化学气相沉积法制备AZO层，其中化学气相沉积法的反应温度为400～600℃，反应1～3h，反应气压0.1～1Pa，以氧气为保护气体，以锌源为前驱物，加入铝源掺杂剂，制备AZO层。

2.根据权利要求1所述的用于制备CIGS薄膜的磁控溅射法，其特征在于：化学气相沉积法的升温方式为阶梯升温。

3.根据权利要求2所述的用于制备CIGS薄膜的磁控溅射法，其特征在于：阶梯升温的升温速率为15℃/min。

4.根据权利要求1所述的用于制备CIGS薄膜的磁控溅射法，其特征在于：磁控溅射化学气相沉积的保护气由氧源提供。

5.根据权利要求1所述的用于制备CIGS薄膜的磁控溅射法，其特征在于，锌源与铝源的配制比例为20～25:1。

6.根据权利要求1所述的用于制备CIGS薄膜的磁控溅射法，其特征在于：Mo层的磁控溅射温度为80～120℃，溅射时间40～80min，溅射功率为50～70W。

7.根据权利要求1所述的用于制备CIGS薄膜的磁控溅射法，其特征在于：CIGS层的真空蒸镀环境温度为至少600℃，环境气压为10^-5Pa，蒸发后自然冷却至150℃左右。

8.根据权利要求1所述的用于制备CIGS薄膜的磁控溅射法，其特征在于，CIGS的四种元素粉末的配置比例按原子百分比为：Cu：21.65％，In：19.16％，Ga：6.12％，Se：53.08％，且Cu/(In+Ga)＝0.85，Ga/(In+Ga)＝0.24，Se/(Cu+In+Ga)＝1.13。

9.根据权利要求1所述的用于制备CIGS薄膜的磁控溅射法，其特征在于：CIGS薄膜还包括Cds过渡层，Cds过渡层采用磁控溅射法制备，衬底温度150℃，溅射时间30min，溅射功率为40W。

10.根据权利要求1所述的用于制备CIGS薄膜的磁控溅射法，其特征在于：锌源为二乙基锌或Zn(CH₃COO)₂，掺杂铝源由三乙基铝、氯化铝或硝酸铝组成。