專利名稱：一種制備CuInSe<sub>2</sub>基薄膜太陽能電池光吸收層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種薄膜太陽能電池制備方法，特別涉及制備CuInSe2基薄膜太陽能電池光 吸收層的方法。
背景技術(shù)：
銅銦硒(CuInSe2,簡稱CIS)基薄膜太陽電池是多元化合物半導(dǎo)體中最有代表性的光伏 器件。由于它具有高的轉(zhuǎn)換效率、低的制造成本以及性能穩(wěn)定等特點(diǎn)而成為國際光伏界研究 熱點(diǎn)之一，很有可能成為下一代的商品化薄膜太陽電池。
光吸收層是CIS基薄膜太陽能電池的核心功能層，該層質(zhì)量直接影響電池的光電轉(zhuǎn)換效 率。CIS基薄膜太陽能電池光吸收層主要有CuI"(Ga， Al)j-xSey(S, Te)2-y(x=0~l， y=0~2)， 其中CuIn,GanSySe2-,(x^ 1， y=0~2) (CIGS)作為光吸收層制備的電池元件最高轉(zhuǎn)換效率達(dá) 19.9%。
CIS基薄膜太陽能電池光吸收層制備方法主要有金屬膜后硒化法、共蒸發(fā)法及電沉積法 等。金屬膜后硒化法制備大尺寸吸收層的難點(diǎn)在于(l)由于Ga擴(kuò)散系數(shù)較大，且易于與Mo 電極發(fā)生化合反應(yīng)，因此Ga很難進(jìn)入晶格位置形成有效摻雜；(2)硒氣氛控制不當(dāng)可能在硒 化過程造成Cu、 In的流失；.(3)硒化過程中，硒與金屬預(yù)置膜發(fā)生化合反應(yīng)，膜體積膨脹較 大使得硒化膜中應(yīng)力較大。共蒸發(fā)法適合制備大尺寸光吸收層，但設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制難度 較大，目前該技術(shù)僅被德國和美國等發(fā)達(dá)國家掌握。電沉積法制備的光吸收層成分控制難度 較大，同時(shí)吸收層中缺陷較多。雖然上述方法都已制備出CIGS薄膜，但隨著CuInSe2基薄膜 太陽能電池日益產(chǎn)業(yè)化，須尋找更為簡單、高效的制備方法。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種制備CuInSe2基薄膜太陽能電池光吸收層的方法。 本發(fā)明釆用射頻磁控方法濺射制備CuInSe2基薄膜太陽能電池光吸收層，該工藝步驟順 序如下
(1) 首先將納玻璃基片置于磁控濺射設(shè)備的腔體內(nèi)，在鈉玻璃基片上濺射鉬(Mo)，制備 CIS基薄膜太陽能電池所需的Mo電極；
(2) 將制備的Mo電極放入磁控濺射設(shè)備的腔體內(nèi)，安裝CuIn。.7Ga。.3Se2.2陶瓷靶，靶基距為 40 60mm，然后對(duì)腔體抽真空，真空度小于3. OX 10—3Pa，隨后向腔體中通入氬氣，將氣壓調(diào) 至0.1 0.8Pa,便開始濺射，將濺射功率增加至50 80W。待輝光穩(wěn)定后，開始沉積，沉積時(shí)間20 40 min后，關(guān)閉濺射，斷開氬氣，關(guān)閉真空系統(tǒng)，便得到沉積態(tài)CIGS薄膜；
(3)向腔體充氬氣至100Pa，將沉積態(tài)CIGS薄膜以20~40°C/min的升溫速率升溫至 450~550'C，保溫10 20min。隨后以20~40。C/min的降溫速率降溫至350°C，最后隨腔體加 熱器冷卻至室溫，打開腔體，取出樣品，得到CuInSe2基薄膜太陽能電池CIGS光吸收層。 所述CuIrv7Gao,3Se2,2陶瓷靶純度為99.99呢。 ， 所述步驟(1)制備CIS基薄膜太陽能電池所需的Mo電極步驟如下將清洗好的鈉玻璃 基片放入腔體加熱器上，安裝Mo靶材，耙基距為40 60rara，然后抽真空至小于3. 0X l(TPa， 隨后通入氬氣，將氣壓調(diào)至1 2Pa，開始濺射，將濺射功率增加至120W，待輝光穩(wěn)定后， 開始沉積，沉積10 20min，隨后停止濺射，關(guān)閉真空系統(tǒng)，得到制備CIS基薄膜太陽能電 池所需的Mo電極。
本發(fā)明的有益效果為本發(fā)明通過濺射0)111。；3。.3562.2陶瓷靶制備(:163光吸收層。由于
本發(fā)明所采用的靶材為CuIno.7Ga。.3Se2.2陶瓷靶，而不是金屬膜后硒化法所使用的金屬靶，因 此本發(fā)明不需要通入H2Se氣體或固態(tài)源硒蒸汽進(jìn)行后化處理，可以一步制備CIGS。并且可 以調(diào)整陶瓷靶的成分配比，因此本發(fā)明不但設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)效率高，而且能夠制備高質(zhì) 量的CIGS薄膜，為CuInSe2基薄膜太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化拓寬了思路。
圖1是本發(fā)明所使用MO電極X射線衍射圖譜； 圖2是本發(fā)明所使用Mo電極SEM掃描圖； 圖3是本發(fā)明所使用陶瓷靶材x射線衍射圖譜； 圖4是本發(fā)明制備的濺射態(tài)CIGS薄膜x射線衍射圖譜； 圖5是本發(fā)明實(shí)施例1制備的CIGS薄膜x射線衍射圖譜； 圖6是本發(fā)明實(shí)施例1制備的CIGS薄膜SEM掃描圖； 圖7是本發(fā)明實(shí)施例2制備的CIGS薄膜x射線衍射圖譜； 圖8是本發(fā)明實(shí)施例2制備的CIGS薄膜SEM掃描圖； 圖9是本發(fā)明實(shí)施例3制備的CIGS薄膜x射線衍射圖譜； 圖10是本發(fā)明實(shí)施例3制備的CIGS薄膜SEM掃描圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。 實(shí)施例1
采用的濺射靶材是純度為99.99%的CuIn。.7Ga。.3Se2.2陶瓷靶，尺寸為小70X3mm， ((^1:1。.70&。.3562.2陶瓷耙為市售，由北京昌昊有研新材料科技開發(fā)有限公司生產(chǎn)，以下實(shí)施例所用CuIn。.7Ga。.3Se2.2陶瓷靶與此相同)所使用陶瓷靶材x射線衍射圖譜如圖3所示。本實(shí) 施例制備步驟如下
(1) 將鈉玻璃切割成lOXlOmm的基片，先放入去離子水中超聲清洗5min，去除切割過程 中產(chǎn)生的碎渣，然后放入丙酮中超聲清洗15min，除去基片表面的油污，再將基片放入酒精 中超聲清洗2min，最后將基片烘干待用；
(2) 將清洗好的鈉玻璃基片放入磁控濺射設(shè)備的腔體內(nèi)，在所述腔體內(nèi)安裝Mo耙材(Mo 靶材純度為99. 99%)，靶基距為40咖，然后抽真空至真空度小于3.0Xl(TPa，隨后通入純度 為99.999%的氬氣(以下實(shí)施例所用氬氣與此相同)，將氣壓調(diào)至lPa，開始濺射，將濺射功 率緩慢增加至120W,輝光穩(wěn)定后沉積10min，隨后停止濺射，關(guān)閉真空系統(tǒng)，得到制備CIS 基薄膜太陽能電池所需的Mo電極。用臺(tái)階儀測(cè)得Mo電極厚度為lRn，表面平整、致密，用 四探針法測(cè)得電阻率為 cm。 Mo電極x射線衍射圖譜如圖1所示，Mo電極SEM掃描圖 如圖2所示；
(3) 將制備的Mo電極放入所述腔體內(nèi)，將靶材更換為CuIn。.7Gao.3Se2.2陶瓷靶，靶基距為 40rara，然后抽真空至真空度小于3.0X10,a，隨后通入氬氣，將氣壓調(diào)至0. 1Pa，開始濺射， 將濺射功率增加至60W，輝光穩(wěn)定后，開始沉積，沉積40min后，停止濺射，斷開氬氣，關(guān) 閉真空系統(tǒng)，得到沉積態(tài)CIGS薄膜，所得的沉積態(tài)CIGS薄膜x射線衍射圖譜如圖4所示；
(4) 將所述腔體充氬氣至100Pa，將沉積態(tài)CIGS薄膜以20°C/min的升溫速率升溫至450。C ， 保溫15min，隨后以30'C/min的降溫速率降溫至35(TC,最后隨所述腔體冷卻至室溫，打開 腔體，取出樣品，得到CuInSe2基薄膜太陽能電池CIGS光吸收層，CIGS光吸收層厚度為 1. 5 y m。
步驟(4)中，升溫速率和降溫速率不能過大，以20~40°C/min為宜，因?yàn)镸o電極是金屬 相，CIGS是陶瓷相，二者熱膨脹系數(shù)差異較大，過大的升溫、降溫速率不利于將二者因熱膨 脹差異產(chǎn)生的應(yīng)力釋放出，容易產(chǎn)生CIGS薄膜脫落。
本實(shí)施例制備的CIGS薄膜x射線衍射圖譜如圖5所示，如圖5所示本實(shí)例制備的CIGS 光吸收層為CuIn。.7Ga。.3Se^S，無其他雜相，CIGS薄膜SEM掃描圖如圖6所示，如圖6所示 本實(shí)例制備的CIGS光吸收層表面平整、致密。
實(shí)施例2
采用的濺射靶材是純度為99.99%的01111。.763。.336,2陶瓷靶，尺寸為4)70X3mm，制備步 驟如下
(l)將鈉玻璃切割成lOXlOmm的基片，先放入去離子水中超聲清洗5min，除去切割過程 中產(chǎn)生的碎渣，然后放入丙酮中超聲清洗15min，除去基片表面的油污，再將基片放入酒精中超聲清洗2min，最后將基片烘干待用；
(2)將清洗好的鈉玻璃基片放入磁控濺射設(shè)備的腔體，在所述腔體內(nèi)安裝Mo耙材(Mo革巴 材純度為99.9將)，靶基距為50mm，然后對(duì)腔體抽真空至真空度小于3. OX 10，a,隨后通入 氬氣，將氣壓調(diào)至1Pa，開始濺射，將濺射功率緩慢增加至120W。輝光穩(wěn)定后，沉積10min， 停止濺射，關(guān)閉真空系統(tǒng)，得到制備CIS基薄膜太陽能電池所需的Mo電極，用臺(tái)階儀測(cè)得 Mo電極厚度為l陶，表面平整、致密，用四探針法測(cè)得電阻率為 cm;
(3將制備的Mo電極放入腔體加熱器，將靶材更換為CuIn。.7Ga。.3Se2.2陶瓷耙，靶基距為 50mm，然后將腔體抽真空至小于真空度3.0X10，a，隨后通入氬氣，將氣壓調(diào)至0.2Pa，開 始濺射，將濺射功率增加至70W。輝光穩(wěn)定后，開始沉積，沉積25min后，停止濺射，斷開 氬氣，關(guān)閉真空系統(tǒng)，得到沉積態(tài)CIGS薄膜；
(4)向腔體充氬氣至100Pa，將沉積態(tài)CIGS薄膜以25°C/min的升溫速率升溫至480°C， 保溫30min，隨后以35'C/min的降溫速率降溫至35(TC，最后隨爐冷卻至室溫，打開腔體， 取出樣品，得到CuInSe2基薄膜太陽能電池CIGS光吸收層，CIGS光吸收層厚度為1. 5n m。
本實(shí)施例制備的CIGS薄膜x射線衍射圖譜如圖7所示，由7可知本實(shí)例制備的CIGS光 吸收層為CuIn。.7Gao.3Se2相，無其他雜相，與實(shí)例1相比，CIGS光吸收層結(jié)晶更好，CIGS薄 膜SEM掃描圖如圖8所示，如圖8所示本實(shí)例制備的CIGS光吸收層表面平整、致密。
實(shí)施例3
采用的濺射靶材是純度為99..99%,的".111&:4}30》,2陶瓷靶，尺寸為4)70X3mi。制備步 驟如下
(1) 將鈉玻璃切割成10X10咖的基片，先放入去離子水中超聲清洗5min，除去切割過程 中產(chǎn)生的碎渣，然后放入丙酮中超聲清洗15min，除去基片表面的油污，再將基片放入酒精 中超聲清洗2min，最后將基片烘干待用；
(2) 將清洗好的鈉玻璃基片放入磁控濺射設(shè)備的腔體內(nèi)，在腔體內(nèi)安裝Mo靶材(Mo靶材 純度為99.99%)，靶基距為60隱，然后抽真空至真空度小于3.0Xl(TPa，隨后通入氬氣，將 氣壓調(diào)至1Pa，開始濺射，將濺射功率緩慢增加至120W。輝光穩(wěn)定后，沉積10min，隨后關(guān) 擋板，停止鵬射，關(guān)閉真空系統(tǒng)，得到制備CIS基薄膜太陽能電池所需的Mo電極，Mo電極 厚度為1Mffl，表面平整、致密，電阻率為 cm;
(4)將制備的Mo電極放入腔體內(nèi)，將靶材更換為011^石&。.35^2陶瓷靶，靶基距為60mm， 然后抽真空至真空度小于3.0X10—3Pa，隨后通入氬氣，將氣壓調(diào)至0,5Pa，開始濺射，將濺 射功率增加至80W，輝光穩(wěn)定后，開始沉積，沉積35min后，停止濺射，斷開氬氣，關(guān)閉真 空系統(tǒng)，得沉積態(tài)CIGS薄膜；(3)向腔體充氬氣至100Pa，將沉積態(tài)CIGS薄膜以20'C/rain的升溫速率升溫至520。C， 保溫30min，隨后以3(TC/min的降溫速率降溫至350'C，最后隨腔體冷卻至室溫，打開腔體， 取出樣品，得到CuInSe2基薄膜太陽能電池CIGS光吸收層，CIGS光吸收層厚度為1. 5u m。
本實(shí)施例制備的CIGS薄膜x射線衍射圖譜如圖9所示，由圖9可知本實(shí)例制備的CIGS 光吸收層為CuIn。.7Gao.3SeJS，與實(shí)例1和2相比，本實(shí)例制備韻光吸收層織構(gòu)化，"形成CIGS (112)織構(gòu)，CIGS薄膜SEM掃描圖如圖IO所示，如圖IO所示本實(shí)例制備的CIGS光吸收層 表面平整、致密。
權(quán)利要求
1、一種制備CuInSe2基薄膜太陽能電池光吸收層的方法，其特征在于，采用磁控濺射設(shè)備進(jìn)行射頻磁控濺射，濺射步驟如下(1)在鈉玻璃基片上濺射鉬Mo，制備CIS基薄膜太陽能電池所需的鉬Mo電極；(2)將制備的鉬Mo電極放入磁控濺射設(shè)備的真空腔體，安裝CuIn0.7Ga0.3Se2.2陶瓷靶，靶基距為40～60mm，然后抽真空至小于3.0×10-3Pa，隨后通入氬氣，將氣壓調(diào)至0.1～0.8Pa，開始濺射，將濺射功率增加至50～80W；待輝光穩(wěn)定后，開始沉積，沉積20～40min后，停止濺射，斷開氬氣，關(guān)閉真空系統(tǒng)，得到沉積態(tài)CIGS薄膜；(3)將所述的真空腔體充氬氣至100Pa，將沉積態(tài)CuIn0.7Ga0.3Se2.0薄膜以20～40℃/min的升溫速率升溫至450～550℃，保溫20～30min，隨后以20～40℃/min的降溫速率降溫至350℃，最后隨真空腔體冷卻至室溫，打開腔體，取出樣品，得到CuInSe2基薄膜太陽能電池CIGS光吸收層。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種制備CuInSe2基薄膜太陽能電池光吸收層的方法，其特征 在于，所述的CuIn。.7Ga。.3Se2.2陶瓷靶純度為99. 99%。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的制備CuInSe2基薄膜太陽能電池光吸收層的方法，其特征在于， 所述制備CIS基薄膜太陽能電池所需的Mo電極步驟如下將清洗好的鈉玻璃基片放入腔體 加熱器，安裝鉬Mo靶材，靶基距為40 60mm;然后對(duì)真空腔體抽真空至小于3. OX l(T3Pa， 隨后通入氬氣，將氣壓調(diào)至1 2Pa，開始濺射，將濺射功率增加至120W;待輝光穩(wěn)定后， 沉積10 20min，隨后停止濺射，關(guān)閉真空系統(tǒng)，得到制備CIS基薄膜太陽能電池所需的Mo 電極。
全文摘要
一種制備CuInSe<sub>2</sub>(CIS)基薄膜太陽能電池光吸收層的方法。首先在鈉玻璃基片濺射上制備CIS基薄膜太陽能電池所需的Mo電極；然后以CuIn<sub>0.7</sub>Ga<sub>0.3</sub>Se<sub>2.2</sub>為靶材，在Mo電極上進(jìn)行濺射得沉積態(tài)CuIn<sub>0.7</sub>Ga<sub>0.3</sub>Se<sub>2.0</sub>(CIGS)薄膜，再對(duì)沉積態(tài)的CIGS薄膜進(jìn)行熱處理真空腔體充氬氣至100Pa，將沉積態(tài)CIGS薄膜以20～40℃/min的升溫速率升溫至450～550℃，保溫15min，隨后以20～40℃/min的降溫速率降溫至350℃，隨爐冷卻至室溫，得到CuInSe<sub>2</sub>基薄膜太陽能電池CIGS光吸收層。
文檔編號(hào)H01L31/18GK101661971SQ20091009291
公開日2010年3月3日 申請(qǐng)日期2009年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月10日
發(fā)明者丁發(fā)柱, 古宏偉 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院電工研究所