一種共濺射法制備cigs薄膜太陽(yáng)能電池吸收層的方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于一種共濺射法制備CIGS薄膜太陽(yáng)能電池吸收層的方法，包括以下步驟：①提供基底，采用銅銦鎵硒靶進(jìn)行射頻濺射，同時(shí)采用銦靶進(jìn)行直流濺射，共濺射制備得到銅銦鎵硒預(yù)制層；②將銅銦鎵硒預(yù)制層放入快速退火爐中，氮?dú)獗Ｗo(hù)下分兩次硒化，自然冷卻至室溫，即可得到CIGS薄膜太陽(yáng)能電池吸收層。本發(fā)明采用CIGS標(biāo)準(zhǔn)四元靶進(jìn)行濺射的技術(shù)途徑有利于規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，通過(guò)本發(fā)明可有效地解決標(biāo)準(zhǔn)CIGS四元靶在濺射過(guò)程中造成的銦元素的損失，可得到符合化學(xué)計(jì)量比的CIGS吸收層材料。通過(guò)兩步升溫法對(duì)所制備的CIGS吸收層進(jìn)行退火處理，可進(jìn)一步增強(qiáng)其硒化的完全度和結(jié)晶性，可得到表面均勻、厚度一致的高質(zhì)量CIGS。
【專利說(shuō)明】
一種共濺射法制備CIGS薄膜太陽(yáng)能電池吸收層的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于光電功能材料與薄膜光伏器件領(lǐng)域，具體涉及一種共濺射法制備CIGS薄膜太陽(yáng)能電池吸收層的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]21世紀(jì)的第一個(gè)十年，隨著人們對(duì)傳統(tǒng)化石能源日漸枯竭的認(rèn)識(shí)不斷加深和對(duì)環(huán)保意識(shí)的日益提高，新能源的發(fā)展進(jìn)入了快車道。各種新能源科學(xué)技術(shù)正在從實(shí)驗(yàn)室研究走向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，漸漸地改變著人們的生產(chǎn)生活方式。一場(chǎng)以新能源為基石的產(chǎn)業(yè)革命緩緩拉開了序幕。薄膜太陽(yáng)能電池的研究近年來(lái)發(fā)展迅速，已成為太陽(yáng)能電池領(lǐng)域中最活躍的方向，而其中銅銦鎵砸尤為引人注目，是太陽(yáng)能電池材料體系中能夠同時(shí)兼顧高效率和低成本的、最好的和最現(xiàn)實(shí)的體系。銅銦鎵砸薄膜太陽(yáng)能電池的光吸收層由低成本的銅基半導(dǎo)體材料組成，其吸光能力遠(yuǎn)強(qiáng)于晶體硅，其在太陽(yáng)光譜區(qū)光吸收深度高達(dá)微米量級(jí)。
[0003]在諸多的制備CIGS吸收層的技術(shù)中，磁控濺射法制備CIGS薄膜太陽(yáng)電池容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，最簡(jiǎn)便的制備方式是直接濺射CIGS四元靶材，然而在濺射過(guò)程中由于四種元素的濺射速率不盡相同，尤其銦元素的濺射效率較低，會(huì)造成所制備的CIGS吸收層化學(xué)計(jì)量比和靶材的原始比例存在較大的偏差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種簡(jiǎn)單、方便、可大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的共濺射法制備CIGS薄膜太陽(yáng)能電池吸收層的方法。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，一種共濺射法制備CIGS薄膜太陽(yáng)能電池吸收層的方法，包括以下步驟:①提供基底，采用銅銦鎵砸靶進(jìn)行射頻濺射，同時(shí)采用銦靶進(jìn)行直流濺射，共濺射制備得到銅銦鎵砸預(yù)制層;共濺射的工藝條件為:本體真空度達(dá)至IJ7?8X 10—4Pa以下，工作壓強(qiáng)為0.5-0.6 Pa，共濺射時(shí)間為110-120 min，銅銦鎵砸靶的射頻濺射功率為110 W，銦靶直流濺射的功率為70 W;②將銅銦鎵砸預(yù)制層放入快速退火爐中，氮?dú)獗Ｗo(hù)下80?90s內(nèi)升溫至245?255°C，然后采用固態(tài)砸源在245?255°C下砸化20?30min，然后在20?30s內(nèi)升溫至545?500°C，在545?500°C下二次砸化15?20 min，自然冷卻至室溫，即可得到CIGS(銅銦鎵砸)薄膜太陽(yáng)能電池吸收層。
[0006]優(yōu)選的，步驟①中所用銅銦鎵砸靶采用CIGS標(biāo)準(zhǔn)四元靶，原子數(shù)比為Cu:1n:Ga: Se=1:0.7:0.3:2，銦靶的純度為 99.99% ο
[0007]優(yōu)選的，步驟①中所用的基底為鍍鉬的鈉鈣玻璃基底。
[0008]本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是:本發(fā)明利用共濺射的方法(射頻電源濺射CIGS標(biāo)準(zhǔn)四元靶的同時(shí)，同步利用直流電源濺射銦靶進(jìn)行銦元素的補(bǔ)充)，通過(guò)本發(fā)明可有效地解決標(biāo)準(zhǔn)CIGS四元靶在濺射過(guò)程中造成的銦元素的損失，可得到符合化學(xué)計(jì)量比的CIGS吸收層材料。通過(guò)兩步升溫法對(duì)所制備的CIGS吸收層進(jìn)行退火處理，可進(jìn)一步增強(qiáng)其砸化的完全度和結(jié)晶性，可得到表面均勻、厚度一致、化學(xué)組分符合計(jì)量比的高質(zhì)量CIGS。所制備的高質(zhì)量CIGS吸收層材料組成完整薄膜光伏器件后，其效率超過(guò)10%，同時(shí)本發(fā)明采用CIGS標(biāo)準(zhǔn)四元靶進(jìn)行濺射的技術(shù)途徑有利于規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1為實(shí)施例1制備的銅銦鎵砸預(yù)制層的表面形貌圖，表面平整致密；
圖2為實(shí)施例1制備的銅銦鎵砸預(yù)制層的截面結(jié)構(gòu)圖，厚度均一；
圖3為實(shí)施例1制備的CIGS薄膜太陽(yáng)能電池吸收層的表面形貌圖，表面致密；
圖4為實(shí)施例1制備的CIGS薄膜太陽(yáng)能電池吸收層的截面結(jié)構(gòu)圖，具有較好的結(jié)晶度； 圖5為實(shí)施例1制成的完整光伏器件的光電轉(zhuǎn)換效率測(cè)試結(jié)果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0010]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于此。
[0011]實(shí)施例1
一種共濺射法制備CIGS薄膜太陽(yáng)能電池吸收層的方法，包括以下步驟:①提供鍍鉬的鈉鈣玻璃基底，采用銅銦鎵砸靶進(jìn)行射頻濺射，同時(shí)采用銦靶進(jìn)行直流濺射，共濺射制備得至IJ銅銦鎵砸預(yù)制層;共濺射的工藝條件為:本體真空度達(dá)到8X10—4Pa以下，派射過(guò)程中，革巴間距為保持為8 cm，氬氣流量為20 sccm，基底轉(zhuǎn)速為20 r/min，工作壓強(qiáng)為0.5Pa，共濺射時(shí)間為120 min，銅銦鎵砸靶的射頻濺射功率為110 W，銦靶直流濺射的功率為70 W;②將銅銦鎵砸預(yù)制層放入快速退火爐中，氮?dú)獗Ｗo(hù)下90s內(nèi)升溫至250°C，然后采用固態(tài)砸源(砸粉)在250 °C下砸化20 min，然后在30s內(nèi)升溫至500°C，在500°C下二次砸化15 min，自然冷卻至室溫，即可得到CIGS薄膜太陽(yáng)能電池吸收層。
[0012]步驟①中所用銅銦鎵砸靶的原子數(shù)比為Cu:1n: Ga: Se=1:0.7:0.3:2,銦靶的純度為99.99%。
[0013]將實(shí)施例1制備得到的CIGS薄膜太陽(yáng)能電池吸收層上采用化學(xué)浴沉積法制備60nm厚的CdS緩沖層，再利用磁控濺射法依次濺射本征ZnO和ΙΤ0，最后采用真空蒸鍍法構(gòu)筑Ag電極，組配出完整的CIGS薄膜太陽(yáng)能電池器件(這些方法都是現(xiàn)有技術(shù)，在此不再贅述)。
[0014]實(shí)施例1制備的銅銦鎵預(yù)制層的表面形貌圖如圖1所示，實(shí)施例1制備的銅銦鎵預(yù)制層的截面結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，由圖1 一 2可以看出，制備的Cu I nGa合金預(yù)制層表面結(jié)構(gòu)均勻有序;實(shí)施例1制備的CIGS薄膜太陽(yáng)能電池吸收層的表面形貌圖如圖3所示，實(shí)施例1制備的CIGS薄膜太陽(yáng)能電池吸收層的截面結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，由圖3 — 4可以看出，砸化處理后的CIGS薄膜太陽(yáng)能電池吸收層的平面致密平整，從截面形貌可見微米級(jí)結(jié)晶良好的大晶粒存在;實(shí)施例1制成的完整光伏器件的光電轉(zhuǎn)換效率測(cè)試結(jié)果圖5，從圖5可以看出，J-V測(cè)試結(jié)果表明所制備的CIGS吸收層具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率，其效率高于10%。
[0015]實(shí)施例2
一種共濺射法制備CIGS薄膜太陽(yáng)能電池吸收層的方法，包括以下步驟:①提供鍍鉬的鈉鈣玻璃基底，采用銅銦鎵砸靶進(jìn)行射頻濺射，同時(shí)采用銦靶進(jìn)行直流濺射，共濺射制備得至IJ銅銦鎵砸預(yù)制層;共濺射的工藝條件為:本體真空度達(dá)到7X10—4Pa以下，派射過(guò)程中，革巴間距為保持為8 cm，氬氣流量為20 sccm，基底轉(zhuǎn)速為20 r/min，工作壓強(qiáng)為0.5Pa，共濺射時(shí)間為120 min，銅銦鎵砸靶的射頻濺射功率為110 W，銦靶直流濺射的功率為70 W;②將銅銦鎵砸預(yù)制層放入快速退火爐中，氮?dú)獗Ｗo(hù)下90s內(nèi)升溫至245°C，然后采用固態(tài)砸源(砸粉)在245 °C下砸化30 min，然后在20s內(nèi)升溫至545°C，在545°C下二次砸化20 min，自然冷卻至室溫，即可得到CIGS薄膜太陽(yáng)能電池吸收層。
[0016]步驟①中所用銅銦鎵砸靶的原子數(shù)比為Cu:1n: Ga: Se=1:0.7:0.3:2,銦靶的純度為99.99%。
[0017]實(shí)施例3
一種共濺射法制備CIGS薄膜太陽(yáng)能電池吸收層的方法，包括以下步驟:①提供鍍鉬的鈉鈣玻璃基底，采用銅銦鎵砸靶進(jìn)行射頻濺射，同時(shí)采用銦靶進(jìn)行直流濺射，共濺射制備得至IJ銅銦鎵砸預(yù)制層;共濺射的工藝條件為:本體真空度達(dá)到8X10—4Pa以下，派射過(guò)程中，革巴間距為保持為8 cm，氬氣流量為20 sccm，基底轉(zhuǎn)速為20 r/min，工作壓強(qiáng)為0.5Pa，共濺射時(shí)間為120 min，銅銦鎵砸靶的射頻濺射功率為110 W，銦靶直流濺射的功率為70 W;②將銅銦鎵砸預(yù)制層放入快速退火爐中，氮?dú)獗Ｗo(hù)下90s內(nèi)升溫至255°C，然后采用固態(tài)砸源(砸粉)在255 °C下砸化30 min，然后在30s內(nèi)升溫至500°C，在500°C下二次砸化15 min，自然冷卻至室溫，即可得到CIGS薄膜太陽(yáng)能電池吸收層。
[0018]步驟①中所用銅銦鎵砸靶的原子數(shù)比為Cu:1n: Ga: Se=1:0.7:0.3:2,銦靶的純度為99.99%。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種共濺射法制備CIGS薄膜太陽(yáng)能電池吸收層的方法，其特征在于，包括以下步驟:①提供基底，采用銅銦鎵砸靶進(jìn)行射頻濺射，同時(shí)采用銦靶進(jìn)行直流濺射，共濺射制備得到銅銦鎵砸預(yù)制層;共濺射的工藝條件為:本體真空度達(dá)到7?8 X 10—4Pa以下，工作壓強(qiáng)為0.5?0.6 Pa，共濺射時(shí)間為110-120 min，銅銦鎵砸靶的射頻濺射功率為110 W，銦靶直流濺射的功率為70 W;②將銅銦鎵砸預(yù)制層放入快速退火爐中，80?90s內(nèi)升溫至245?255°C，然后采用固態(tài)砸源在245?255°C下砸化20~30 min，然后在20?30s內(nèi)升溫至545?500°C，在545?500°C下二次砸化15?20 min，自然冷卻至室溫，即可得到CIGS薄膜太陽(yáng)能電池吸收層。2.如權(quán)利要求2所述的共濺射法制備CIGS薄膜太陽(yáng)能電池吸收層的方法，其特征在于:步驟①中所用銅銦鎵砸靶的原子數(shù)比為Cu:1n:Ga:Se=1:0.7:0.3:2,銦靶的純度為99.99%。3.如權(quán)利要求1所述的共濺射法制備CIGS薄膜太陽(yáng)能電池吸收層的方法，其特征在于:步驟①中所用的基底為鍍鉬的鈉鈣玻璃基底。
【文檔編號(hào)】H01L31/18GK105870255SQ201610270066
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年4月27日
【發(fā)明人】杜祖亮, 程軻, 黃玉茜
【申請(qǐng)人】河南大學(xué)