[发明专利]一种Cu(In1-xGax)Se2薄膜及其制备和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种Cu(In_1-xGa_x)Se₂薄膜及其制备和应用，属于新能源及新材料制备领域，具体涉及太阳能电池薄膜制备领域。

背景技术

在众多薄膜太阳电池中，铜铟镓硒(Cu(In_1-xGa_x)Se₂，CIGS)薄膜太阳电池以其高效率、低成本、抗辐射能力强、寿命长等优良特性引起了人们日益广泛的关注。现有制备CIGS薄膜的技术有很多，但主要有两种技术路线：一是多元分步真空蒸发技术路线；二是金属预置层后硒化技术路线。其中，多元分步真空蒸发技术是以Cu、In、Ga和Se为蒸发源，在真空条件下进行反应蒸发制备CIGS薄膜，然后再在含Se气氛下对薄膜进行硒化处理。多元分步真空蒸发技术存在难以控制薄膜的均匀性、蒸发速率和元素化学配比难以精确控制、材料浪费严重、薄膜与衬底结合力弱、工艺重复性差、制备周期长等缺点，易造成所制备的CIGS薄膜电池的良品率不高。

金属预置层后硒化技术是先在衬底上按配比沉积Cu、In、Ga金属预置层，然后在含Se气氛中进行高温硒化，最终制备得到CIGS薄膜，这种方法曾被业内人士称为最成熟的技术路线，该方法的难点主要集中在后硒化工艺部分。整个硒化过程是元素Se向薄膜内部逐渐扩散的过程，造成硒化过程长、产率慢，多余的硒还会以杂质形式存在，从而劣化薄膜的电输运性能，最终导致该方法难以满足大规模CIGS薄膜太阳能电池的工业化生产。

除上述两种主要技术之外，有关磁控溅射一步沉积制备技术也逐渐发展起来。这种方法是直接对CIGS陶瓷靶材进行磁控溅射，而后对制备的薄膜进行硒化退火处理得到CIGS薄膜。虽然该技术较上述两类技术大大简化了CIGS薄膜的制备过程，但此类技术仍然没能摆脱硒化步骤，一方面使工艺不够简单，另一方面硒化过程多余的硒同样会影响薄膜的电输运性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种简单有效、无需硒化处理的CIGS薄膜制备方法，以克服现有CIGS薄膜制备过程复杂、硒化过程难以精确控制的问题。

一种Cu(In_1-xGa_x)Se₂薄膜的制备方法，为磁控溅射方法，包含下述工艺步骤：

a.预制薄膜制备：在惰性气氛下，磁控溅射的溅射功率：30W~400W，溅射气压为0.1Pa~5.0Pa，靶基距为5cm～15cm，靶材为Cu(In_1-xGa_x)Se₂陶瓷靶，其中x=0.2~0.3；

b.热处理：采用光辐射加热方法，在惰性气氛下，升温速率为50~150°C/s，晶化温度450～600°C，在晶化温度保温10min~60min。

步骤a的预制薄膜制备中采用较大功率磁控溅射技术，即30W以上，优选30W~400W。采用较大的磁控溅射功率，一方面能够增加膜基附着性能，另一方面还能够使溅射的薄膜直接部分、甚至全部晶化为黄铜矿物相结构，可有效避免制备过程中的硒流失，而且形成的黄铜矿物相结构的小晶粒也是后续退火薄膜结晶的晶核，有助于降低晶化温度。本发明所述磁控溅射方法的溅射电源可为直流电源、直流脉冲、中频电源或射频电源。

本发明所述磁控溅射制备方法中所用溅射基片为本领域熟练技术人员所熟知的可应用于制备CIGS薄膜的基片，如其上沉积有Mo金属薄膜层的白玻璃、不锈钢或有机聚合物PET、PVC、PPS和FEP等。在预制薄膜的溅射制备过程中，有别于传统技术，对基片均不加热。原因在于，CIGS的组元中，镓和硒均为低熔点、易挥发元素，因此若对基片进行加热，极易造成二者在制备过程中的流失，反而不利于单一黄铜矿物相结构的CIGS薄膜的形成，所以本发明特别强调制备过程中不对基片加热。

步骤b的热处理工艺为快速热处理技术，在光辐射加热快速热处理炉中进行，加热升温速率为50~150°C/s，并在CIGS的晶化温度450～600°C保温10min~60min。

采用快速热处理，一方面可使退火过程快速度过硒及其低熔点化合物的挥发温度，使薄膜直接在晶化温度区间进行化合晶化，避免了热处理过程中薄膜硒流失；另一方面可使薄膜晶粒进一步长大，以提高薄膜的电输运性能。

本发明所述制备方法优选步骤a中所述惰性气氛为Ar气，其为99.999%的高纯Ar气；步骤b中所述惰性气氛为Ar气或N₂气。