[发明专利]铜铟镓硒薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光伏器件制备技术领域，特别是涉及一种铜铟镓硒薄膜的制备方法。

背景技术

在科学家的实验室中，共蒸发工艺是目前制备铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池应用最广泛和最高效的方法，20.4%的光电转化率的世界纪录就是由瑞士联邦材料测试与开发研究所用共蒸发法实现的。共蒸发法的基本原理是将铜（Cu）、铟（In）、镓（Ga）、硒（Se）四种蒸发源靶材置于真空腔室内，当靶材被加热至表面有靶材分子脱离蒸发源时，在衬底上就会有沉积产生，衬底上的靶材分子相互反应，最终形成CIGS晶体薄膜。

传统的共蒸发工艺为三步法共蒸，包括如下步骤：第一步，在相对较低的衬底温度下沉积In、Ga和Se；第二步，升高衬底温度，在较高的衬底温度下蒸发Cu和Se，此时在衬底上铜、铟、镓和硒相互反应逐步生成具有黄铜矿结构的铜铟镓硒薄膜，当衬底上的沉积的Cu的摩尔量过剩时，就会产生过量的Cu_xSe并析出到衬底表面，由于Cu_xSe在此时的衬底高温下呈现液相，所以衬底表面的温度会出现突然下降的现象，此时可以设为铜蒸发时间的截止点；第三步在保持衬底温度的条件下，再次蒸发In、Ga和Se，使In、Ga、Se和衬底表面上的Cu_xSe生成铜铟镓硒，最终得到略贫Cu的p型CIGS薄膜，作为合格的太阳电池光吸收层。

图1为上述三步法的示意图。其中，T1时间段对应第一步；T2时间段对应第二步；T3时间段对应第三步。为了获得结晶良好的致密的CIGS薄膜，在第一步中蒸发铟和镓，沉积到足够的薄膜厚度，然后停止蒸发铟和镓，提高衬底温度至500℃以上，蒸发铜至铜过量，然后再停止蒸发铜，保持衬底温度不变，根据经验再次蒸发部分铟和镓。上述过程中始终保持足够的硒蒸汽压，制备致密的P型半导体黄铜矿型铜铟镓硒薄膜。

如上述可见，三步法共蒸发工艺要求的衬底温度和蒸发源温度较高，蒸发时间较长，如果直接移植到工业化生产中必将消耗大量的能源。为了缩短薄膜生长时间，以降低CIGS电池的生产成本，制备铜铟镓硒薄膜需要快速沉积工艺。

然而，CIGS薄膜的结晶质量对电池的最终性能有着决定性的影响，而结晶质量受沉积速率、元素扩散和衬底温度等因素的影响，因此传统的共蒸发工艺往往选择了较长的生长时间（一般大于1h），T1至少为36分钟，T3至少为4分钟。较长时间的蒸发和较高的衬底温度不仅有利于晶粒的充分生长，使得晶粒尺寸较大，甚至贯穿整个薄膜；而且晶体的择优取向（220/204）也使薄膜表面粗糙度更小，表面缺陷态减少；同时，元素的充分扩散也导致固有的Ga梯度分布更平缓这样可以得到高质量的光吸收层薄膜。所以如果简单地加快沉积速度，由于薄膜生长时间短，导致晶粒不能充分生长，晶粒尺寸较小，晶界增多；且无规取向（112）增加，表面粗糙度和缺陷态增加；元素的分布也因为扩散的不充分形成较陡的梯度，所制备得到的铜铟镓硒薄膜的质量较差，最终致使整个器件的性能明显下降。

发明内容

基于此，有必要提供一种铜铟镓硒薄膜的制备方法，以快速制备质量较好的铜铟镓硒薄膜。

一种铜铟镓硒薄膜的制备方法，包括如下步骤：

步骤一：在硒气氛中，共蒸镓和铟，使硒、镓和铟沉积于衬底上；

步骤二：提高衬底温度，在硒气氛中，蒸发铜，使硒和铜沉积于衬底上；

步骤三：保持衬底温度，在硒气氛中，共蒸镓和铟，形成铜铟镓硒薄膜，其特征在于，所述步骤一的共蒸时间与所述步骤三的共蒸时间的比值为5:1～7:1。

在其中一个实施例中，所述步骤一和步骤三中，所述衬底表面镓单质的蒸发速率为1.5*10^-4～2.5*10^-4pa；所述衬底表面铟单质的蒸发速率为5.0*10^-4～7.0*10^-4pa。

在其中一个实施例中，还包括步骤四，所述步骤四为：将所述铜铟镓硒薄膜于硒气氛中保持衬底温度退火2分钟～5分钟。

在其中一个实施例中，设所述步骤一的共蒸时间为T1，所述步骤二的蒸发时间为T2，所述步骤三的共蒸时间为T3，所述步骤二中的相变时间为T_cu，所述T1、T2、T3和T_cu满足如下关系：

T2=T_cu+(0.9×T3/T1-0.1)×T_cu。

在其中一个实施例中，所述T1为8分钟～9分钟。