一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池吸收层的制备方法
阅读：332发布：2024-01-13
专利汇可以提供一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池吸收层的制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种 铜 铟镓硒 薄膜 太阳能 电池 吸收层的制备方法，它是采用直流 磁控溅射 的方法在soda-lime玻璃上沉积双层金属Mo 电极 ，然后用射频磁控溅射的方法通过溅射铜铟镓硒四元 合金 单靶（CuIn0.7Ga0.3Se2）在Mo电极上沉积CIGS薄膜。溅射过程中保持一定的基底 温度 和溅射功率，溅射所得到的CIGS薄膜具有 黄铜 矿结构，适合作为 太阳能电池 的吸收层，本发明所述的方法不仅成本低，工艺简单，而且省去了硒化 退火 ，更有利于环保。，下面是一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池吸收层的制备方法专利的具体信息内容。
1.一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池吸收层的制备方法，其特征在于：
薄膜样品在JGP-450型磁控溅射沉积系统上采用直流磁控溅射和射频磁控溅射的制备方法获得，溅射靶材分别为直径50.9 mm、厚度3 mm的高纯度99.99%金属钼靶和直径50.9 mm、厚3mm的高纯度99.99%铜铟镓硒四元合金靶，以边长为2.5 cm、厚度为1 mm的正方形Soda-lime玻璃作为基底，将soda-lime玻璃放进腔室前，先用丙酮超声清洗20 min，再用酒精超声清洗5 min，并将其吹干；实验的本底真空为4.0×10-4 Pa，在沉积Mo薄膜前，对基底进行偏压清洗15 min，清洗时的气压为2.0 Pa，偏压为 -400 V；沉积薄膜的过程中，基底不断旋转以提高薄膜的均匀性；室温下，利用直流磁控溅射的方法在玻璃基底上沉积900 nm厚的Mo背电极，采用双层溅射的方法，先在1.2 Pa的惰性气体氩气下溅射4 min，再在0.4 Pa的气压下溅射36 min，之后再用射频磁控溅射的方法，在0.8 Pa的气压下通过溅射铜铟镓硒四元合金靶在镀有Mo背电极的玻璃上沉积CIGS薄膜，厚度为1500nm，溅射过程中功率为100 w，基底温度为630 ℃，之后在铜铟镓硒吸收层上用射频磁控溅射的方法溅射50nm厚的硫化镉缓冲层，再用射频磁控溅射的方法在硫化镉缓冲层上依次溅射50nm厚的ZnO和
500nm厚的掺铝的氧化锌窗口层，之后用直流磁控溅射的方法溅射1000nm厚的Al电极，至此获得一块完整的铜铟镓硒太阳能电池。
一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池吸收层的制备方法
技术领域
背景技术
[0002] 铜铟镓硒薄膜太阳能电池被认为是最具潜力的下一代太阳能电池，具有寿命长，性能稳定，生产成本低，抗辐射性强，优良的弱光相应特性和较高的光电转化效率等优点。目前铜铟镓硒薄膜太阳能电池其结构一般由soda-lime玻璃、金属Mo电极、吸收层铜铟镓硒（CIGS）薄膜,缓冲层硫化镉（CdS），以及氧化锌（ZnO），掺铝的氧化锌（AZO）,Al/Ag上电极组成；其中Mo电极主要是通过直流磁控溅射的方法制备得到，吸收层铜铟镓硒（CIGS）薄膜主要由由三步共蒸发或两步溅射的方法获得。对于大规模、大面积制造的CIGS薄膜太阳能电池而言，三步共蒸发的方法较为复杂，难以对成分和沉积过程进行精确控制，提高薄膜性质的重复性；而两步溅射的方法也有不足之处，在溅射预制层的过程中，富In和富Ga的预制层容易导致CIGS薄膜表面粗糙，且硒化也会对环境造成污染。然而由于相对复杂的制备工艺和器件结构，铜铟镓硒薄膜太阳能电池的产业化面临着很大的困难，因此，进一步开发研究低成本并且容易大面生产的铜铟镓硒薄膜太阳能电池具有重大意义。
发明内容
[0003] 本发明提供了一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池吸收层的制备方法，其特征在于按如下的步骤进行：
[0004] 1）采用直流磁控溅射的方法在soda-lime玻璃上沉积双层金属Mo电极，溅射功率为100 w；所述的沉积双层金属Mo电极指的是先在工作气压1.4 Pa下，溅射Mo金属靶材沉积厚度为100 nm的Mo薄膜，然后再在工作气压0.2 Pa下溅射Mo金属靶材沉积900 nm厚的Mo薄膜；
[0005] 2）采用射频磁控溅射的方法通过溅射铜铟镓硒四元合金单靶（CuIn0.7Ga0.3Se2）在Mo电极上沉积CIGS薄膜；溅射过程中基底温度控制在550℃-630℃，功率控制在100w-200w之间,工作气压控制在0.4 P-2.0 Pa之间。
[0006] 本发明更加详细的制备方法如下：
[0007] 1）采用直流磁控溅射的方法在soda-lime玻璃上沉积双层金属Mo电极；
[0008] 2）采用射频磁控溅射的方法通过溅射铜铟镓硒四元合金单靶（CuIn0.7Ga0.3Se2）在Mo电极上沉积CIGS薄膜；
[0009] 上述步骤1）中溅射功率为100W,先在工作气压1.4Pa下，溅射Mo金属靶材沉积厚度为100nm的Mo薄膜，然后再在工作气压0.2Pa下溅射Mo金属靶材沉积900nm厚的Mo薄膜。
[0010] 上述步骤2）中采用射频磁控溅射的方法溅射铜铟镓硒四元合金单靶（CuIn0.7Ga0.3Se2）沉积CIGS薄膜，在溅射过程中基底温度控制在550℃-630℃之间，功率控制在100W-200W之间。
[0011] 本发明一个优选的制备方法如下：
[0012] （1）溅射靶材分别为直径50.9 mm、厚度3 mm的99.99%高纯度金属钼(Mo)靶和直径50.9 mm、厚度3mm的99.99%高纯度铜铟镓硒(CuIn0.7Ga0.3Se2)四元合金靶，以边长为2.5cm、厚度为1 mm的正方形Soda-lime玻璃作为基底；
[0013] （2）将soda-lime玻璃放进腔室前，先用丙酮超声清洗20 min，再用酒精超声清洗5min，并将其吹干备用；
[0015] （4）沉积薄膜的过程中，基底不断旋转以提高薄膜的均匀性，室温下，利用直流磁控溅射的方法在玻璃基底上沉积900 nm厚的Mo背电极，采用双层溅射的方法，先在1.2 Pa的惰性气体氩气下溅射4 min，再在0.4 Pa的气压下溅射36 min，之后再用射频磁控溅射的方法，在0.8 Pa的气压下通过溅射铜铟镓硒四元合金靶在镀有Mo背电极的玻璃上沉积CIGS薄膜，溅射过程中功率为100 w，基底温度为550℃。
[0016] 本发明另一个优选的制备方法如下：
[0017] （1）溅射靶材分别为直径50.9 mm、厚度3 mm的99.99%高纯度金属钼(Mo)靶和直径50.9 mm、厚度3 mm的99.99%高纯度铜铟镓硒(CuIn0.7Ga0.3Se2)四元合金靶，以边长为2.5 cm、厚度为1 mm的正方形Soda-lime玻璃作为基底；
[0018] （2）将soda-lime玻璃放进腔室前，先用丙酮超声清洗20 min，再用酒精超声清洗5 min，并将其吹干备用；
[0019] （3）实验的本底真空为4.0×10-4 Pa，在沉积Mo薄膜前，对基底进行偏压清洗15 min，清洗时的气压为2.0 Pa，偏压为 -400 V；
[0020] （4）沉积薄膜的过程中，基底不断旋转以提高薄膜的均匀性，室温下，利用直流磁控溅射的方法在玻璃基底上沉积900 nm厚的Mo背电极，采用双层溅射的方法，先在1.2 Pa的惰性气体氩气下溅射4 min，再在0.4 Pa的气压下溅射36 min，之后再用射频磁控溅射的方法，在0.8 Pa的气压下通过溅射铜铟镓硒四元合金靶在镀有Mo背电极的玻璃上沉积CIGS薄膜，溅射过程中功率为100 w，基底温度为630 ℃。
[0021] 本发明提供的铜铟镓硒薄膜太阳能电池吸收层的制备方法与现有的技术相比所具有的积极效果在于：
[0022] （1）本发明通过用射频磁控溅射的方法直接溅射高纯度铜铟镓硒(CuIn0.7Ga0.3Se2)四元合金靶，通过改变，探究实验过程中的工艺参数发现基底温度控制在
550℃-620℃之间，功率控制在100w-200w之间的时候制得的CIGS薄膜具有黄铜矿结构，适合作为太阳能电池的吸收层，并且跟原先的两步溅射法相比，省去了硒化这个步骤，减少了对环境的污染，跟三步共蒸发的方法相比工艺简单了许多，切薄膜的重复性较高。
550℃-620℃之间，功率控制在100w-200w之间的时候制得的CIGS薄膜具有黄铜矿结构，适合作为太阳能电池的吸收层，并且跟原先的两步溅射法相比，省去了硒化这个步骤，减少了对环境的污染，跟三步共蒸发的方法相比工艺简单了许多，切薄膜的重复性较高。
[0023] （2）溅射所得到的CIGS薄膜具有黄铜矿结构（通过X射线衍射（XRD）测试发现，对应黄铜矿的（112），（220）/(204)，(116)/(312)峰都出现了，并且通过扫描电镜（SEM）测试表明CIGS结晶良好），适合作为太阳能电池的吸收层。
[0024] （3）本发明所述的方法不仅成本低，工艺简单，而且省去了硒化退火（原有的两步溅射法是指先利用溅射的方法制备出CIG预制层，随后在硒化炉内进行硒化处理生产CIGS薄膜。三步共蒸发法是指，第一步，在衬底温度为300-400℃下，共蒸发In，Ga，Se，形成（In0.7Ga0.3）2Se3预制层，第二步将衬底温度升高的500-600℃，共蒸发Cu和Se与预制层（In0.7Ga0.3）2Se3反应形成略微富Cu的CIGS薄膜，第三步，衬底温度保持不变，再蒸发少量的In，Ga，Se，在薄膜表面形成富In的薄层，并最终得到接近化学计量比的CIGS薄膜），更有利于环保。
[0025] 例图说明
[0026] 图1 是铜铟镓硒薄膜太阳能电池吸收层示意图。第1层为soda-lime玻璃，第2层为金属Mo电极，第3层为铜铟镓硒（CIGS）薄膜；
[0028] 图3是由实施例1 所得CIGS表面的X射线衍射图（XRD）；
[0029] 图4是实施例2所得CIGS表面的X射线衍射图（XRD）；
[0030] 图5是实施例1所得的CIGS的拉曼光谱图；
[0031] 图6是实施例2所得的CIGS的拉曼光谱图；
[0032] 图7是JGP-450型磁控溅射沉积系统；
[0033] 其中1.基底，2分子泵，3气体入口，4直流靶，5射频靶。
具体实施方式
[0034] 以下结合具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，而不是限制本发明的应用范围。本发明所用到的材料均有市售。
[0035] 实施例1
[0036] 薄膜样品在JGP-450型磁控溅射沉积系统上采用直流磁控溅射和射频磁控溅射的制备方法获得，溅射靶材分别为直径50.9 mm、厚度3 mm的高纯度(99.99%)金属钼(Mo)靶和直径50.9mm、厚3mm的高纯度(99.99%)铜铟镓硒(CuIn0.7Ga0.3Se2)四元合金靶，以边长为2.5cm、厚度为1 mm的正方形Soda-lime玻璃作为基底，将soda-lime玻璃放进腔室前，先用丙酮超声清洗20 min，再用酒精超声清洗5 min，并将其吹干。实验的本底真空为4.0×10-4 Pa，在沉积Mo薄膜前，对基底进行偏压清洗15 min，清洗时的气压为2.0 Pa，偏压为 -400 V。沉积薄膜的过程中，基底不断旋转以提高薄膜的均匀性。室温下，利用直流磁控溅射的方法在玻璃基底上沉积约900 nm厚的Mo背电极，采用双层溅射的方法，先在1.2 Pa的惰性气体氩气下溅射4 min，再在0.4 Pa的气压下溅射36 min，之后再用射频磁控溅射的方法，在
0.8 Pa的气压下通过溅射铜铟镓硒四元合金靶在镀有Mo背电极的玻璃上沉积CIGS薄膜，溅射过程中功率为100w，基底温度为550℃。
0.8 Pa的气压下通过溅射铜铟镓硒四元合金靶在镀有Mo背电极的玻璃上沉积CIGS薄膜，溅射过程中功率为100w，基底温度为550℃。
[0037] 利用D/MAX-2500型X射线衍射仪（XRD）对样品进行物相及晶体结构分析，扫描范围10°~100°，步长为0.02°，管电压为40 kV，管电流为100 mA。采用扫描电子显微镜(SEM)观察薄膜的表面形貌。
[0038] 实施例2
[0039] 薄膜样品在JGP-450型磁控溅射沉积系统上采用直流磁控溅射和射频磁控溅射的制备方法获得，溅射靶材分别为直径50.9 mm、厚度3 mm的高纯度(99.99%)金属钼(Mo)靶和直径50.9 mm、厚度3 mm的高纯度(99.99%)铜铟镓硒(CuIn0.7Ga0.3Se2)四元合金靶，以边长为2.5 cm、厚度为1 mm的正方形Soda-lime玻璃作为基底，将soda-lime玻璃放进腔室前，先用丙酮超声清洗20 min，再用酒精超声清洗5 min，并将其吹干。实验的本底真空为4.0×10-4 Pa，在沉积Mo薄膜前，对基底进行偏压清洗15 min，清洗时的气压为2.0 Pa，偏压为 -
400 V。沉积薄膜的过程中，基底不断旋转以提高薄膜的均匀性。室温下，利用直流磁控溅射的方法在玻璃基底上沉积约900 nm厚的Mo背电极，采用双层溅射的方法，先在1.2 Pa的惰性气体氩气下溅射4 min，再在0.4 Pa的气压下溅射36 min，之后再用射频磁控溅射的方法，在0.8 Pa的气压下通过溅射铜铟镓硒四元合金靶在镀有Mo背电极的玻璃上沉积CIGS薄膜，溅射过程中功率为100 w，基底温度为630 ℃。利用D/MAX-2500型X射线衍射仪（XRD）对样品进行物相及晶体结构分析。
400 V。沉积薄膜的过程中，基底不断旋转以提高薄膜的均匀性。室温下，利用直流磁控溅射的方法在玻璃基底上沉积约900 nm厚的Mo背电极，采用双层溅射的方法，先在1.2 Pa的惰性气体氩气下溅射4 min，再在0.4 Pa的气压下溅射36 min，之后再用射频磁控溅射的方法，在0.8 Pa的气压下通过溅射铜铟镓硒四元合金靶在镀有Mo背电极的玻璃上沉积CIGS薄膜，溅射过程中功率为100 w，基底温度为630 ℃。利用D/MAX-2500型X射线衍射仪（XRD）对样品进行物相及晶体结构分析。
[0040] 实施例3
[0041] 薄膜样品在JGP-450型磁控溅射沉积系统上采用直流磁控溅射和射频磁控溅射的制备方法获得，溅射靶材分别为直径50.9 mm、厚度3 mm的高纯度(99.99%)金属钼(Mo)靶和直径50.9 mm、厚3mm的高纯度(99.99%)铜铟镓硒(CuIn0.7Ga0.3Se2)四元合金靶，以边长为2.5 cm、厚度为1 mm的正方形Soda-lime玻璃作为基底，将soda-lime玻璃放进腔室前，先用丙酮超声清洗20 min，再用酒精超声清洗5 min，并将其吹干。实验的本底真空为4.0×10-4 Pa，在沉积Mo薄膜前，对基底进行偏压清洗15 min，清洗时的气压为2.0 Pa，偏压为 -400 V。沉积薄膜的过程中，基底不断旋转以提高薄膜的均匀性。室温下，利用直流磁控溅射的方法在玻璃基底上沉积约900 nm厚的Mo背电极，采用双层溅射的方法，先在1.2 Pa的惰性气体氩气下溅射4 min，再在0.4 Pa的气压下溅射36 min，之后再用射频磁控溅射的方法，在
0.8 Pa的气压下通过溅射铜铟镓硒四元合金靶在镀有Mo背电极的玻璃上沉积CIGS薄膜，厚度约为1500nm，溅射过程中功率为100 w，基底温度为630 ℃。之后在铜铟镓硒吸收层上用射频磁控溅射的方法溅射约50nm厚的硫化镉（CdS）缓冲层，再用射频磁控溅射的方法在硫化镉（CdS）缓冲层上依次溅射约50nm厚的ZnO和500nm厚的掺铝的氧化锌（ZAO）窗口层，之后用直流磁控溅射的方法溅射约1000nm厚的Al电极，至此获得一块完整的铜铟镓硒太阳能电池。要制备出高效率的CIGS太阳能电池，就必须制备高纯度的吸收层薄膜，薄膜的晶粒要尽量大，表面平整，并且工艺越简单就越好，本发明中的方法省去了硒化退火，既大大简化了工艺的复杂性，因为硒有毒，所以用本发明的方法还可以避免硒对人体的危害，本发明中我们通过控制实验条件，可以得到高质量，晶粒比较大的薄膜且通过X射线衍射发现对应黄铜矿结构的（112），（220）/(204),(312)/(116)峰都出现了，而在现有的文献记载中，大都是三步共蒸发的方法和通过两步溅射的方法获得CIGS吸收层薄膜，这也是本发明中的方法与其他方法最大的不同之处。所以通过本发明中的方法有望制备出高效率的CIGS太阳能电池。
0.8 Pa的气压下通过溅射铜铟镓硒四元合金靶在镀有Mo背电极的玻璃上沉积CIGS薄膜，厚度约为1500nm，溅射过程中功率为100 w，基底温度为630 ℃。之后在铜铟镓硒吸收层上用射频磁控溅射的方法溅射约50nm厚的硫化镉（CdS）缓冲层，再用射频磁控溅射的方法在硫化镉（CdS）缓冲层上依次溅射约50nm厚的ZnO和500nm厚的掺铝的氧化锌（ZAO）窗口层，之后用直流磁控溅射的方法溅射约1000nm厚的Al电极，至此获得一块完整的铜铟镓硒太阳能电池。要制备出高效率的CIGS太阳能电池，就必须制备高纯度的吸收层薄膜，薄膜的晶粒要尽量大，表面平整，并且工艺越简单就越好，本发明中的方法省去了硒化退火，既大大简化了工艺的复杂性，因为硒有毒，所以用本发明的方法还可以避免硒对人体的危害，本发明中我们通过控制实验条件，可以得到高质量，晶粒比较大的薄膜且通过X射线衍射发现对应黄铜矿结构的（112），（220）/(204),(312)/(116)峰都出现了，而在现有的文献记载中，大都是三步共蒸发的方法和通过两步溅射的方法获得CIGS吸收层薄膜，这也是本发明中的方法与其他方法最大的不同之处。所以通过本发明中的方法有望制备出高效率的CIGS太阳能电池。
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