[发明专利]用作太阳能电池光吸收层的铜铟镓硒薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本文涉及薄膜太阳能电池领域光吸收层的制备，特别涉及到铜铟镓硒薄膜太阳能电池光吸收层的制备。

背景技术

太阳能被认为是21世纪最清洁，最环保的能源之一，取之不尽，用之不竭。铜铟镓硒薄膜太阳能电池以其较高的转换效率(19.9％)、较低的成本、优良的抗辐照特性及弱光特性等特点被认为是下一代最有竞争力的薄膜太阳能电池之一，而光吸收层的制备技术是铜铟镓硒薄膜太阳能电池的核心技术。

目前，铜铟镓硒光吸收层的制备主要有以下几种：电化学沉积法、喷涂热解法、丝网印刷法、共蒸法法、溅射后硒化法。其中共蒸发法一般采用的美国再生能源实验室(NREL)开发的三步共蒸发工艺，较其它工艺而言，三步共蒸法可以获得内部致密，表面平整的薄膜，大大改善铜铟镓硒薄膜与缓冲层之间的界面，减少载流子的复合中心，获得较高的转换效率。但该工艺对设备要求严格，难以控制化学计量比的均匀一致性，大面积成膜困难，难以实现商业上的大规模生产。电化学沉积法是在化合物电解质水溶液中插入两个相对电极，然后加一定电压，在负极上沉积化合物薄膜，在薄膜制备过程中化学计量比非常难以控制，很不成熟。另外，电化学沉积法与喷涂热解法、丝网印刷法类似，存在薄膜多孔，夹杂，硒化后会出现裂纹等缺点。

溅射后硒化法是目前国际上普遍接受的产业化方法，其基本原理是用经过电场加速的高能氩离子轰击含Cu、In、Ga的单质或化合物靶，溅射出Cu、In、Ga粒子，溅射出的粒子沉积在基片表面，得到铜铟镓预制层，经硒化可以获得表面比较平整，附着力好的薄膜。目前大多的研究单位使用的是多靶溅射法，例如采用CuIn、InGa、CuGa靶进行预置层的溅射。这种多靶溅射的方法控制工艺比较复杂，Se的引入必须通过后续的硒化退火过程，使得能耗增多，硒利用率降低，硒在薄膜内分布不均匀，且存在安全隐患。而使用单靶磁控溅射是进一步改善铜铟镓硒薄膜太阳能电池的质量和降低电池生产成本的有效方法之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种可用作太阳能电池光吸收层的CIGS薄膜的制备方法

本发明采用单靶磁控溅射和硒化退火工艺制备CIGS薄膜，制备工艺步骤如下：

1.在磁控溅射腔体内安装Mo靶和CIGS靶，并安装清洗好的钠钙玻璃基片，然后对腔体抽真空至1×10^-3Pa以下，再通入99.999％的高纯Ar气，使用直流电源在基片上溅射总厚度为0.5-1μm的双层Mo薄膜，作为薄膜太阳能电池的背电极；

2.制备好Mo层后，使用射频电源在镀有Mo的钠钙玻璃基片上溅射厚度为1-2μm的CIGS；

3.取出镀有Mo和CIGS的基片，将其快速转移至管式炉的石英管内，并在石英管的另一位置放置固态单质Se，然后对石英管抽真空，用高纯Ar气反复冲洗石英管以排除空气中的O₂和其它杂质气体，在Ar气流动的环境下对CIGS区和Se区加热，在Se蒸汽气氛下对CIGS进行硒化退火，之后自然冷却，得到可用作太阳能电池光吸收层的铜铟镓硒薄膜。

所述的铜铟镓硒靶材成份为CuIn_0.75Ga_0.25Se₂，纯度大于99.9％；

所述的步骤1中的双层Mo的溅射条件为：基片旋转速度为8-20rpm，基片温度为25-550℃，靶基距为5-10cm，Ar气的流量为10-100SCCM，直流电源的电流为0.4-0.8A，电压为140-300V，第一层Mo的溅射气压为1-3Pa，相应的溅射时间为5-10min，第二层Mo的溅射气压为0.1-0.5Pa，相应的溅射时间为10-20min；

所述的步骤2中的CIGS的溅射条件为：基片旋转速度为8-20rpm，基片温度为25-550℃，靶基距为5-8cm，Ar气的流量为10-100SCCM，射频电源的电流为150-210mA，电压为700-1100V，溅射气压为0.2-3Pa，溅射时间为90-180min，溅射完毕后基片自然冷却；

所述的步骤3中的管式炉可对CIGS和Se区同时控温，硒化退火的条件为：CIGS区的温度为400-580℃，Se区的温度为200-350℃，硒化退火的时间为30-60min，载气Ar气的流量为50-200SCCM，硒化过程中通过控制Ar气的进气量和出气量使真空表的读数呈现一定的正压，防止空气的进入；

所述的铜铟镓硒薄膜具有黄铜矿相的结构，可用作薄膜太阳能电池的光吸收层。

本发明的有益效果有：