[发明专利]一种铜锑硫太阳能电池光吸收层薄膜的制备方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种太阳能电池光吸收层薄膜的制备方法，具体地说是一种铜锑硫太阳能电池光吸收层薄膜的制备方法。

二、背景技术

铜锑硫(CuSbS₂)类似于传统的高效薄膜太阳能电池吸收层铜铟镓硒，也具有光吸收系数高、带隙与太阳光谱匹配的优点，而且相对于铜铟镓硒，其元素锑比铟和镓价格低，此外，其结晶温度远低于铜铟镓硒，因此大大降低了原料和生产成本，被认为是最有发展前景的新一代太阳能电池。

铜锑硫光吸收层是电池最核心的一层。目前文献报道多采用化学法制备铜锑硫光吸收层，该方法虽然较真空法降低了制造成本，但存在几个主要问题：首先，化学法需要用到有机溶剂或水溶剂，溶质多为各组成元素的盐类化合物，因此易引入杂质，而半导体材料对杂质的含量异常敏感，极少量的杂质都可能大大降低其电学性能。其次，化学法制备的半导体薄膜其结晶性较真空法差，会引入更多的缺陷，造成光生载流子的复合，降低电池性能。第三，在成分控制方面，真空法尤其是采用束源炉的多源共蒸发法，对各组成元素的控制更加精确，并且可以在镀膜过程中实时调整各元素比例，实现薄膜成分沿膜厚方向的梯度分布，以优化器件的能带结构。

铜锑硫材料共蒸发工艺的特殊性。铜铟镓硒中的金属元素铜、铟、镓，其蒸发温度都在1000℃左右，都比较高，在镀膜过程中，各元素的硒化物反蒸发较弱，不易造成元素流失，因此较易控制薄膜成分。而铜锑硫中，铜和锑的蒸发温度相差很大，尤其锑的蒸发温度只有500-600℃，其单质和硫化物的饱和蒸汽压较高，极易反蒸发，造成锑元素的流失，若采用一步法制备，衬底温度一旦较高，则会造成锑元素的大量流失，薄膜富铜，富铜的铜锑硫是电阻很低的Cu₁₂Sb₄S₁₃相，该物相会造成电池漏电，不能作为光吸收层。若衬底温度较低，虽然可以减少硫化锑的反蒸发，但在较低温度下生成的铜锑硫其结晶性较差，缺陷较多。因此，抑制硫化锑的反蒸发，生成单一相的铜锑硫，并提高其结晶性，是共蒸发工艺的关键。此外，薄膜底部富锑，有利于提高铜锑硫和衬底钼之间的附着力，薄膜表层富锑，有利于减少异质结区域的富铜相，降低短路电流，这也是共蒸发工艺在薄膜成分的梯度控制方面需要实现的两点。

三、发明内容

本发明旨在提供一种铜锑硫太阳能电池光吸收层薄膜的制备方法，所要解决的技术问题是抑制硫化锑的反蒸发，抑制富铜相生成，提高薄膜的结晶性和附着力，从而提高电池的光电转换效率。

本发明铜锑硫太阳能电池光吸收层薄膜的制备方法，采用三步共蒸法制备，包括如下步骤：

将镀钼玻璃衬底置于常规多源热蒸发镀膜系统的衬底上并抽真空至5×10^-4Pa，将铜、锑和硫的束源炉温度分别升至1100-1200℃、500-600℃以及100-200℃并分别保持恒定；第一步，将衬底温度升温至200-300℃并保持恒定，向镀钼玻璃衬底表面蒸镀锑和硫10-15分钟，使薄膜底层富锑，提高与衬底钼的附着力；第二步，锑和硫蒸镀结束后，保持衬底温度不变并同时蒸镀铜、锑和硫30-40分钟，使薄膜富锑；第三步，铜、锑和硫蒸镀结束后将衬底温度升温至350-450℃，再继续蒸镀锑和硫20-30分钟，目的是使铜锑硫在较高温度下提高结晶性，并且薄膜富锑以及锑和硫的气氛可补偿薄膜中硫化锑的反蒸发；锑和硫蒸镀结束后将衬底温度降至室温得到符合化学计量比的铜锑硫薄膜。铜、锑和硫的蒸镀量是通过温度和蒸镀时间来调控的。

本发明通过共蒸发法制备铜锑硫(CuSbS₂)薄膜采用的设备是多源热蒸发镀膜系统，由机械泵、分子泵、真空腔体、束源炉、温控仪、衬底加热器、衬底旋转机构、闸板阀、真空计等部件构成。该系统可实现对多个蒸发源独立精确控温，同时可对衬底加热控温，用于制备多元化合物半导体薄膜。

衬底加热器的加热方式为非接触加热，加热器和衬底间保持1-5毫米间距，加热器通过红外热辐射的方式对衬底加热，确保衬底各处受热均匀。

本发明共蒸发法制备铜锑硫薄膜的具体步骤如下：

1、将镀钼玻璃衬底固定在多源热蒸发镀膜系统的衬底上，关闭腔体，用机械泵和分子泵将腔体内部的背景真空抽至5×10^-4Pa，启动束源炉加热器，并确保束源炉挡板关闭。

2、将铜、锑和硫的束源炉温度分别升至1100-1200℃、500-600℃以及100-200℃，并保持恒定。