專利名稱：具有黃銅礦結(jié)構(gòu)、高光吸收系數(shù)的cigs薄膜材料及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于薄膜材料、太陽(yáng)能電池吸收層等光電領(lǐng)域，具體涉及一種具有黃銅礦 結(jié)構(gòu)、高光吸收系數(shù)的銅銦鎵硒薄膜材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
自1975年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家用切克勞斯基法生長(zhǎng)銅銦硒(CIS)單晶并制 成電池以來(lái)，CIS薄膜太陽(yáng)電池受到人們的普遍重視，發(fā)展迅速，成為國(guó)際光伏界的研究熱 點(diǎn)。隨后將Ga材料摻進(jìn)CIS薄膜材料中，發(fā)現(xiàn)CIGS薄膜太陽(yáng)能電池具有無(wú)可比擬的有優(yōu) 點(diǎn)(I)CIGS薄膜太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率高，而且CIGS薄膜的光吸收系數(shù)是已知半導(dǎo) 體材料中最高的，達(dá)到105/cm，并且它是一種直接帶隙的半導(dǎo)體材料，適合薄膜化，CuInSe2 中In用Ga替代，使得半導(dǎo)體的禁帶寬度可以在1. 04-1. 65eV間變化；(2)由于CIGS薄膜太 陽(yáng)能電池中的薄膜晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵穩(wěn)定，CIGS薄膜太陽(yáng)能電池尚未發(fā)現(xiàn)光致衰退效應(yīng)， 因而其使用壽命更長(zhǎng)；(3) CIGS可以在玻璃基板上形成缺陷少，高品質(zhì)的大晶粒，且在CIGS 薄膜太陽(yáng)能電池的制作過程中不存在污染性的化學(xué)物質(zhì)。正是由于CIGS薄膜太陽(yáng)能電池具有這些優(yōu)點(diǎn)，使得其迅速成為人們研究的熱點(diǎn)， 其中，CIGS薄膜太陽(yáng)能電池的制備中，吸收層也就是CIGS薄膜材料的制備尤為關(guān)鍵，關(guān)系 著CIGS薄膜太陽(yáng)能電池能否大規(guī)模生產(chǎn)化的問題。本發(fā)明旨在提供一種具有黃銅礦結(jié)構(gòu) 和高光吸收系數(shù)的CIGS薄膜的制備方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有黃銅礦結(jié)構(gòu)和高光吸收系數(shù)的CIGS薄膜的制備 方法，該制備方法工藝設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低，不使用有毒的H2Se、H2S等氣體，污染小。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案一種具有黃銅礦結(jié)構(gòu)和高光吸收 系數(shù)的CIGS薄膜材料，其特征在于，該薄膜材料具有化學(xué)式結(jié)構(gòu)為CuInxGa(1_x)Se2，其中， 0. 5 < X < 1。下面給出了該具有黃銅礦結(jié)構(gòu)和高光吸收系數(shù)的CIGS薄膜材料的制備方法，該 方法包括下述步驟1)采用溶劑超聲波清洗玻璃基板5-30min后，在50_150°C烘20-60min，待用；2)將步驟1)得到的玻璃基板置于真空室內(nèi)抽真空，當(dāng)真空度為(1 9) X ICT4Pa 時(shí)，開始依次真空蒸鍍Se、In、Ga、Cu四層薄膜；3)將真空蒸鍍后的玻璃基板進(jìn)行熱處理，于熱處理溫度為200 400°C、真空度為 (1 9) X10_4Pa的環(huán)境下加熱30min 2h ；即制得具有黃銅礦結(jié)構(gòu)和高光吸收系數(shù)的CIGS 薄膜材料。所述清洗溶劑為甲苯、乙醇、丙酮或蒸餾水。所述依次真空蒸鍍Se、In、Ga、Cu四層薄膜的順序?yàn)樽圆ＡЩ迕嬷辽弦来握翦僑e、In、Ga、Cu四種材料。所述Se的蒸發(fā)電流為2 4A，蒸發(fā)電壓為1 3V，蒸發(fā)速率為0. 05 0. 5nm/S, 蒸鍍厚度為50 lOOnm。所述In的蒸發(fā)電流為10 15A，蒸發(fā)電壓為3. 5 5V，蒸發(fā)速率為0. 05 0. 5nm/ S，蒸鍍厚度為20 40nm。所述Ga的蒸發(fā)電流為12 16A，蒸發(fā)電壓為4 6V，蒸發(fā)速率為0. 05 0. 5nm/ S，蒸鍍厚度為10 25nm。所述Cu的蒸發(fā)電流為16 20A，蒸發(fā)電壓為5 9V，蒸發(fā)速率為0. 05 0. 5nm/ S，蒸鍍厚度為30 65nm。本發(fā)明對(duì)鍍膜所用的材料為限定為Cu的純度為99. 95%，In的純度為99. 999%, Ga的純度為99. 999%, Se的純度為99. 95% ；發(fā)明制備的CIGS薄膜材料總厚度為100 200nm。本發(fā)明由于采取了在真空環(huán)境下依次蒸鍍四層薄膜材料的方法，并在真空環(huán)境下 進(jìn)行熱處理，制得CIGS薄膜材料的厚度有具體的限定，這樣得到的CIGS薄膜材料既具有黃 銅礦結(jié)構(gòu)，并且具有高光吸收系數(shù)，能夠在CIGS薄膜太陽(yáng)能電池中得到廣泛的應(yīng)用。


圖1為本發(fā)明材料在熱處理之前的結(jié)構(gòu)示意圖。圖1所示的熱處理之前CIGS薄膜材料包括5為玻璃基板，4為硒層薄膜，3為銦 層薄膜，2為鎵層薄膜，1為銅層薄膜。
具體實(shí)施例方式下面通過具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。實(shí)施例1該具有黃銅礦結(jié)構(gòu)和高光吸收系數(shù)的CIGS薄膜材料的制備方法，該方法包括下 述步驟1)采用乙醇溶劑超聲波清洗玻璃基板5min后，在100°C烘干30min，待用；2)將步驟1)得到的玻璃基板置于真空室內(nèi)抽真空，當(dāng)真空度為IXlO-4Pa時(shí)，開 始自玻璃基板面至上依次真空蒸鍍Se、In、Ga、Cu四層薄膜；蒸鍍的具體工藝參數(shù)為Se的蒸發(fā)電流為2A，蒸發(fā)電壓為IV，蒸發(fā)速率為0. 05nm/S，蒸鍍厚度為50nm ；In的蒸發(fā)電流為10A，蒸發(fā)電壓為3. 5V，蒸發(fā)速率為0. 05nm/S，蒸鍍厚度為20nm ；Ga的蒸發(fā)電流為12A，蒸發(fā)電壓為4V，蒸發(fā)速率為0. 05nm/S，蒸鍍厚度為IOnm ；Cu的蒸發(fā)電流為16A，蒸發(fā)電壓為5V，蒸發(fā)速率為0. 05nm/S，蒸鍍厚度為30nm ；并且，對(duì)鍍膜所用的材料為限定為Cu的純度為99. 95%, In的純度為99. 999%, Ga的純度為99. 999%, Se的純度為99. 95%;制備的CIGS薄膜材料總厚度為110 2IOnm ；3)將真空蒸鍍后的玻璃基板進(jìn)行熱處理，于熱處理溫度為200°C、真空度為 1 X IO-4Pa的環(huán)境下加熱30min ；即制得具有黃銅礦結(jié)構(gòu)和高光吸收系數(shù)的CIGS薄膜材料。實(shí)施例2該具有黃銅礦結(jié)構(gòu)和高光吸收系數(shù)的CIGS薄膜材料的制備方法，該方法包括下述步驟1)采用丙酮溶劑超聲波清洗玻璃基板20min后，在120°C烘干60min，待用；2)將步驟1)得到的玻璃基板置于真空室內(nèi)抽真空，當(dāng)真空度為6X10_4Pa時(shí)，開 始依次真空蒸鍍Se、In、Ga、Cu四層薄膜；蒸鍍的具體工藝參數(shù)為Se的蒸發(fā)電流為3A，蒸發(fā)電壓為2V，蒸發(fā)速率為0. 2nm/S，蒸鍍厚度為IOOnm ；In的蒸發(fā)電流為12A，蒸發(fā)電壓為4V，蒸發(fā)速率為0. 2nm/S，蒸鍍厚度為40nm ；Ga的蒸發(fā)電流為14A，蒸發(fā)電壓為5V，蒸發(fā)速率為0. 2nm/S，蒸鍍厚度為20nm ；Cu的蒸發(fā)電流為18A，蒸發(fā)電壓為7V，蒸發(fā)速率為0. 2nm/S，蒸鍍厚度為50nm ；并且，對(duì)鍍膜所用的材料為限定為Cu的純度為99. 95%, In的純度為99. 999%, Ga的純度為99. 999%, Se的純度為99. 95%;制備的CIGS薄膜材料總厚度為110 2IOnm ；3)將真空蒸鍍后的玻璃基板進(jìn)行熱處理，于熱處理溫度為300°C、真空度為 6X KT4Pa的環(huán)境下加熱Ih ；即制得具有黃銅礦結(jié)構(gòu)和高光吸收系數(shù)的CIGS薄膜材料。實(shí)施例3該具有黃銅礦結(jié)構(gòu)和高光吸收系數(shù)的CIGS薄膜材料的制備方法，該方法包括下 述步驟1)采用甲苯溶劑超聲波清洗玻璃基板30min后，在50°C烘干40min，待用；2)將步驟1)得到的玻璃基板置于真空室內(nèi)抽真空，當(dāng)真空度為9X10_4Pa時(shí)，開 始自玻璃基板面至上依次真空蒸鍍Se、In、Ga、Cu四層薄膜；蒸鍍的具體工藝參數(shù)為Se的蒸發(fā)電流為4A，蒸發(fā)電壓為3V，蒸發(fā)速率為0. 5nm/S，蒸鍍厚度為SOnm ；In的蒸發(fā)電流為15A，蒸發(fā)電壓為5V，蒸發(fā)速率為0. 5nm/S，蒸鍍厚度為30nm ；Ga的蒸發(fā)電流為16A，蒸發(fā)電壓為6V，蒸發(fā)速率為0. 5nm/S，蒸鍍厚度為25nm ；Cu的蒸發(fā)電流為20A，蒸發(fā)電壓為9V，蒸發(fā)速率為0. 5nm/S，蒸鍍厚度為65nm ；并且，對(duì)鍍膜所用的材料為限定為Cu的純度為99. 95%, In的純度為99. 999%, Ga的純度為99. 999%, Se的純度為99. 95%;制備的CIGS薄膜材料總厚度為110 2IOnm ；3)將真空蒸鍍后的玻璃基板進(jìn)行熱處理，于熱處理溫度為400°C、真空度為 9 X IO-4Pa的環(huán)境下加熱2h ；即制得具有黃銅礦結(jié)構(gòu)和高光吸收系數(shù)的CIGS薄膜材料。實(shí)施例4該具有黃銅礦結(jié)構(gòu)和高光吸收系數(shù)的CIGS薄膜材料的制備方法，該方法包括下 述步驟1)采用蒸餾水溶劑超聲波清洗玻璃基板IOmin后，在150°C烘干20min，待用；2)將步驟1)得到的玻璃基板置于真空室內(nèi)抽真空，當(dāng)真空度為5X ICT4Pa時(shí)，開 始自玻璃基板面至上依次真空蒸鍍Se、In、Ga、Cu四層薄膜；蒸鍍的具體工藝參數(shù)為Se的蒸發(fā)電流為4A，蒸發(fā)電壓為3V，蒸發(fā)速率為0. 5nm/S，蒸鍍厚度為IOOnm ；In的蒸發(fā)電流為12A，蒸發(fā)電壓為5V，蒸發(fā)速率為0. 3nm/S，蒸鍍厚度為30nm ；Ga的蒸發(fā)電流為12A，蒸發(fā)電壓為6V，蒸發(fā)速率為0. 3nm/S，蒸鍍厚度為20nm ；Cu的蒸發(fā)電流為15A，蒸發(fā)電壓為6V，蒸發(fā)速率為0. 3nm/S，蒸鍍厚度為40nm ；并且，對(duì)鍍膜所用的材料為限定為Cu的純度為99. 95%, In的純度為99. 999%, Ga的純度為99. 999%, Se的純度為99. 95%;制備的CIGS薄膜材料總厚度為110 2IOnm ；3)將真空蒸鍍后的玻璃基板進(jìn)行熱處理，于熱處理溫度為300°C、真空度為5 X IO-4Pa的環(huán)境下加熱1. 5h ；即制得具有黃銅礦結(jié)構(gòu)和高光吸收系數(shù)的CIGS薄膜材料。
圖1所示，為本發(fā)明通過上述步驟制備薄膜結(jié)構(gòu)的熱處理之前的示意圖。其中， CIGS薄膜材料5為玻璃基板，4為硒層薄膜，3為銦層薄膜，2為鎵層薄膜，1為銅層薄膜。
權(quán)利要求
一種具有黃銅礦結(jié)構(gòu)和高光吸收系數(shù)的CIGS薄膜材料，其特征在于，該薄膜材料具有化學(xué)式結(jié)構(gòu)為CuInxGa(1 x)Se2，其中，0.5＜X＜1。
2.一種具有黃銅礦結(jié)構(gòu)和高光吸收系數(shù)的CIGS薄膜材料的制備方法，其特征在于，該 方法包括下述步驟1)采用溶劑超聲波清洗玻璃基板5-30min后，在50-150°C烘干20-60min，待用；2)將步驟1)得到的玻璃基板置于真空室內(nèi)抽真空，當(dāng)真空度為(1 9)X IO-4Pa時(shí)， 開始依次真空蒸鍍Se、In、Ga、Cu四層薄膜；3)將真空蒸鍍后的玻璃基板進(jìn)行熱處理，于熱處理溫度為200 400°C、真空度為 (1 9) X10_4Pa的環(huán)境下加熱30min 2h ；即制得具有黃銅礦結(jié)構(gòu)和高光吸收系數(shù)的CIGS 薄膜材料。
3.如權(quán)利要求2所述的一種具有黃銅礦結(jié)構(gòu)和高光吸收系數(shù)的CIGS薄膜材料的制備 方法，其特征在于，所述清洗溶劑為甲苯、乙醇、丙酮或蒸餾水。
4.如權(quán)利要求2所述的一種黃銅礦結(jié)構(gòu)和具有高光吸收系數(shù)的銅銦鎵硒薄膜的制備 方法，其特征在于，所述依次真空蒸鍍Se、In、Ga、Cu四層薄膜的順序?yàn)樽圆ＡЩ迕嬷辽?依次蒸鍍Se、In、Ga、Cu四種材料。
5.如權(quán)利要求2所述的一種具有黃銅礦結(jié)構(gòu)和高光吸收系數(shù)的CIGS薄膜材料的制備 方法，其特征在于，所述Se的蒸發(fā)電流為2 4A，蒸發(fā)電壓為1 3V，蒸發(fā)速率為0. 05 0. 5nm/S，蒸鍍厚度為50 lOOnm。
6.如權(quán)利要求2所述的一種具有黃銅礦結(jié)構(gòu)和高光吸收系數(shù)的CIGS薄膜材料的制 備方法，其特征在于，所述In的蒸發(fā)電流為10 15A，蒸發(fā)電壓為3. 5 5V，蒸發(fā)速率為 0. 05 0. 5nm/S,蒸鍍厚度為20 40nm。
7.如權(quán)利要求2所述的一種具有黃銅礦結(jié)構(gòu)和高光吸收系數(shù)的CIGS薄膜材料的制備 方法，其特征在于，所述Ga的蒸發(fā)電流為12 16A，蒸發(fā)電壓為4 6V，蒸發(fā)速率為0. 05 0. 5nm/S，蒸鍍厚度為10 25nm。
8.如權(quán)利要求2所述的一種具有黃銅礦結(jié)構(gòu)和高光吸收系數(shù)的CIGS薄膜材料的制備 方法，其特征在于，所述Cu的蒸發(fā)電流為16 20A，蒸發(fā)電壓為5 9V，蒸發(fā)速率為0. 05 0. 5nm/S,蒸鍍厚度為30 65nm。
9.如權(quán)利要求2所述的一種具有黃銅礦結(jié)構(gòu)和高光吸收系數(shù)的CIGS薄膜材料的制備 方法，其特征在于，所述CIGS薄膜材料總厚度為110 210nm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有黃銅礦結(jié)構(gòu)和高光吸收系數(shù)的CIGS薄膜材料及其制備方法，其特征在于，該薄膜材料具有化學(xué)式結(jié)構(gòu)為CuInxGa(1-x)Se2，其中，0.5＜X＜1。方法包括下述步驟1)采用溶劑超聲波清洗玻璃基板5-30min后，在50-150℃烘干20-60min，待用；2)將步驟1)得到的玻璃基板置于真空室內(nèi)抽真空，當(dāng)真空度為(1～9)×10-4Pa時(shí)，開始依次真空蒸鍍Se、In、Ga、Cu四層薄膜；3)將真空蒸鍍后的玻璃基板進(jìn)行熱處理，于熱處理溫度為200～400℃、真空度為(1～9)×10-4Pa的環(huán)境下加熱30min～2h；即制得具有黃銅礦結(jié)構(gòu)和高光吸收系數(shù)的CIGS薄膜材料。該制備方法工藝設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低，不使用有毒的H2Se、H2S等氣體，污染小。
文檔編號(hào)C23C14/58GK101982561SQ20101028854
公開日2011年3月2日 申請(qǐng)日期2010年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月21日
發(fā)明者張方輝, 張麥麗, 蔣繼文 申請(qǐng)人:陜西科技大學(xué)