[发明专利]一种基于光化学沉积制备铜铟镓硒薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于光化学沉积制备铜铟镓硒薄膜的方法，属于光电材料与新能源技术领域。

背景技术

目前CuInSe₂(CIS)薄膜太阳电池已成为最重要和最具发展前景的太阳电池之一。CuInSe₂薄膜是直接能隙半导体材料，能隙为1.05eV，而且可以通过掺杂Ga形成铜铟镓硒Cu(In,Ga)Se₂(CIGS)使能隙宽度在1.05～1.67eV内连续调整，适合于太阳光的光电转换要求；铜铟镓硒(CIGS)薄膜具有较高光吸收系数(达10⁵cm^-1)，且性能稳定，不存在光衰效应，因此受到光伏界广泛关注。

研究制备铜铟镓硒(CIGS)薄膜材料的方法有真空和非真空的制备方法。真空法能够较精密地控制膜层的组分，获得高质量的CIGS薄膜，但由于真空法制备薄膜材料必须在高真空下进行、需要昂贵的真空设备、高纯度的原料，同时还存在着原料利用率不高、工艺复杂、难以实现膜层的大面积和连续沉积等问题。这些缺陷限制了CIGS电池大规模的生产和应用。非真空方法中，最常见的是电沉积法，该方法可在低温和非真空条件下进行大面积、多元组分、持续的薄膜沉积，具有设备和工艺简单、成本低廉、界面结合好、材料利用率高等优点。但是电沉积法成膜时间过长、薄膜成分不易控制(铟和镓沉积困难等)、形貌较差等方面一些问题，并且需要氰化钾(KCN)刻蚀薄膜表面的Cu_2-xSe，KCN作为一种具有剧毒的化学试剂，不利于电沉积的推广应用。

而传统光化学沉积反应可以制备金属薄膜，但是存在原料利用率低，沉积过程可控性差，容易产生沉淀，沉积在基底表面的薄膜结构松散，在后续退火过程中容易脱落，并且形貌和成分难以控制等一系列的缺陷，使其应用受到局限，本领域技术人员难以克服以上技术难题，将光化学沉积反应运用到CuInSe₂(CIS)薄膜的制备领域中来。

发明内容

针对现有技术中铜铟镓硒(CIGS)薄膜材料的制备方法存在的缺陷，本发明首次将光化学沉积运用到铜铟镓硒薄膜的制备过程中，并克服了传统光化学方法的缺陷，目的是在于提出一种制备表面形貌好、致密度高、成分可控的铜铟镓硒薄膜的方法，该方法原料利用率高，成本低，可大规模推广生产。

本发明提供了一种基于光化学沉积制备铜铟镓硒薄膜的方法，该方法是先在导电基体上镀一层Se或S薄膜，再将镀有Se或S薄膜的导电基体置于含有铟离子、镓离子、硒离子、铜离子中的至少两种和光电子释放剂的溶液体系中，进行光化学沉积，得到Cu_aIn_bGa_cSe_d薄膜，其中，0≤a，0≤b，0≤c，0≤d，且a、b、c、d中至少两个不同时为0；所述的光电子释放剂为Na₂SO₃、Na₂S₂O₃、K₂SO₃、K₂S₂O₃、Li₂SO₃、Li₂S₂O₃中的至少一种。

本发明的制备铜铟镓硒薄膜的方法还包括以下优选方案：

优选的方案中进行光化学沉积过程中维持溶液体系的温度为15～90℃，pH为1～10，入射光的光强范围为60～500mW/cm²。进一步优选的温度为25～50℃。进一步优选的pH为4～7。进一步优选的优选的入射光的光强为80～200mW/cm²。

最优选的方案中进行光化学沉积过程中维持溶液体系的温度为25～50℃，pH为4～7，入射光的光强范围为80～200mW/cm²。

优选的方案中入射光选自波长200～1000nm范围内的至少一种单色光；最优选的波长范围为300～700nm。

优选的方案中溶液体系中光电子释放剂与铜、铟、镓和硒离子总摩尔浓度比为13～30:1；最优选为14～17:1。