[发明专利]一种用于化合物半导体薄膜及太阳电池的脉冲电沉积制备高质量铟薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明属于光电材料及新能源技术领域，涉及一种在金属衬底上电沉积制备高质量In薄膜的方法。

背景技术

Cu(In,Ga)Se₂(CIGSe)薄膜太阳电池由于其较高稳定性及转换效率(最高转换效率达22.6％)而受到人们越来越多的关注。Solar Frontier采用溅射后硒化方法制备出转换效率为22.3％的CIGSe薄膜太阳电池。后硒化方法具有制备高质量CIGSe材料的巨大潜力。其中，电沉积Cu/In或Cu/In/Ga叠层金属预制层在含Se或S气氛中热处理作为制备CIGSe或CIGSSe薄膜太阳电池的重要方法具有沉积速率快、材料利用率高，且叠层沉积所用溶液成分简单、稳定、易维护的优势。到目前为止，取得了15.8％的最高转换效率，但远低于溅射后硒化方法制备的22.3％和三步共蒸发法制备的22.6％。在后硒化工艺中，溅射金属预制层后硒化制备CIGSe薄膜质量及器件性能高于电沉积后硒化法，原因之一是由于电沉积的金属预制层各处厚度及元素比例存在差异，而厚度及成分均匀的金属预制层对于制备CISe或CIGSe薄膜太阳电池很关键。

In在Mo/Cu层上呈“岛状”生长导致In薄膜表面呈现凹凸不平的岛状形貌，如图2所示，这种形貌造成金属预制层各处成分及厚度存在差异，凹凸不平的In薄膜导致表面存在富Cu区和贫Cu区，硒化过程中导致元素分布不均，局部存在富Cu区，产生漏电通道，恶化器件性能。Sun Min Lee等人为改善In薄膜表面形貌，研究了添加剂(整平剂、光亮剂、抑制剂等)对In均匀沉积的影响，并且指出柠檬酸和柠檬酸盐共同作为添加剂时，可明显改善In岛状生长，获得相对平整致密In层，但In层表面依然凹凸不平，并且溶液中的添加剂同样易吸附到镀层内降低镀层纯度。

为了改善电沉积制备的In层表面形貌，需要寻找一种新的电沉积制备方法。由于In属低熔点金属，熔点仅156℃，电沉积过程中的高能晶核呈液态，在稳定嵌入晶格前很容易发生聚集，生成凹凸不平的岛状形貌。传统的直流电沉积方法很难实现同时控制形核和生长过程，现有电沉积In的技术中缺少一种制备高质量平整In层的方法。

发明内容

本发明的目的是解决金属衬底上电沉积制备In表面粗糙、凹凸不平的问题，提供一种在金属衬底上快速高效电沉积制备高质量平整In层的方法。并通过该方法获得一种平整致密的高质量In薄膜。

本发明处理方法通过在室温下，在InCl₃或In₂(SO₄)₃水溶液中，对阴极施加脉冲电流信号，实现金属沉积过程中对形核和生长过程的共同控制。

本发明采用的技术方案

一种用于化合物半导体薄膜及太阳电池的脉冲电沉积制备高质量铟薄膜的方法，是在20℃～25℃室温下，在pH值为1.5～2的InCl₃或In₂(SO₄)₃水溶液中，对阴极金属衬底施加脉冲电流信号(即间断的持续时间极短的突然发生的电流信号)，通过控制脉冲电流信号的参数控制金属形核和生长过程(In层沉积)，制备得到用于制备高质量半导体薄膜及器件的平整In层。所述的阴极金属衬底包括钼衬底和铜衬底。采用的脉冲电沉积方法中所述脉冲电流信号的参数包括脉冲电流密度、脉冲频率和占空比，所述脉冲电流密度大于12.5mA cm^-2,脉冲频率为10～100000Hz，占空比为5％～99.99％。可制备的半导体薄膜材料及器件包括Cu(In,Ga)Se₂、CuInSe₂、Cu(In,Ga)S₂、CuInS₂、InP、InAs、In₂S₃和In₂Se₃薄膜及器件。

本发明用于化合物半导体薄膜及太阳电池的电沉积制备高质量铟薄膜的方法具体步骤是：

(1)、在干净的玻璃衬底上采用直流磁控溅射方法制备0.5～1.5um厚的Mo层作为背电极。

(2)、将4cm×6cm大小Mo背电极上电沉积Cu层后放入InCl₃溶液中(或直接将Mo背电极放入InCl₃溶液中)，作为阴极，采用2mm厚的金属In层作为阳极。InCl₃溶液为酸性，pH值为1.5～2左右。