[发明专利]一种双靶直流共溅射制备铜铟镓硒吸收层的方法

说明书

技术领域

本发明属于光电功能材料技术领域，具体涉及一种双靶直流共溅射制备铜铟镓硒吸收层的方法。

背景技术

近年来，光伏行业的发展趋势是发展薄膜太阳能电池，因为它具有节省材料、运输成本低且生产速率高的优点。其中，铜铟硒(CIS)/铜铟镓硒(CIGS)为吸收层的薄膜太阳电池因其具有高效率、稳定性高的特点，有望成为新一代太阳电池的主流产品之一，CIGS是在CIS的基础上发展起来相同体系的太阳能电池，通过适量的Ga取代In，成为CuIn_1-xGa_xSe₂多晶固溶体，其禁带宽度可以通过改变In和Ga的比例来调整。

CIGS吸收层的制备方法主要有真空蒸发法、金属预制层硒化法、分子束外延技术、喷涂热解法、磁控溅射法和电沉积方法等。其中真空共蒸发法在制备过程中可以有效地控制CIGS薄膜的成分。然而，蒸发法制备CIGS薄膜的工艺复杂、重复性较差、难以大面积构筑、反应速度慢、成本较高，因此不适合大规模工业化生产。

发明内容

本发明的目的是提供一种便于大面积获取和工业化应用的双靶直流共溅射制备铜铟镓硒吸收层的方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种双靶直流共溅射制备铜铟镓硒吸收层的方法，包括以下步骤：①提供基底，共溅射CuGa合金靶和In靶，制备铜铟镓预制层，共溅射的工艺条件为：本底真空为4~5×10^-4Pa，工作压强0.5~0.6 Pa，In靶的溅射功率为80 W，CuGa合金靶的溅射功率为25 W，溅射时间35~40 min；②将铜铟镓预制层放入快速退火炉中，20~25s内升温至545~550℃，545~550℃下硒化30~35 min，自然冷却至室温，即可得到铜铟镓硒吸收层。

所述CuGa合金靶的原子数比为Cu:Ga=4:1。

优选的，步骤①中所用的基底为镀钼的钠钙玻璃基底。

本发明产生的有益效果是：本发明采用双靶直流共溅射方法制备铜铟镓（CIG）预制层，通过控制铟靶的溅射功率可以有效地控制CIG合金预制层中铟元素的含量，该发明为获取符合化学计量比的铜铟镓硒（CIGS）吸收层材料提供了一种简便易行的方法；将所制备的CIG预制层在特定的真空条件下进行快速退火硒化处理，即可得到电池级的、高质量的CIGS吸收层薄膜，通过构筑完善的CIGS薄膜光伏器件，可得到>8%的光电转换效率。该发明提供的完整的CIGS吸收层的溅射和硒化工艺为大规模工业化组配高效率CIGS薄膜光伏器件提供了新的途径。

附图说明

图1为本实施例1制备的铜铟镓预制层表面的SEM图，表面呈现颗粒状聚集；

图2为实施例1制备的铜铟镓预制层截面的SEM图，厚度约为500 nm；

图3为实施例1制备的铜铟镓硒吸收层表面的SEM图，呈现结晶良好的阶梯状形貌；

图4为实施例1制备的铜铟镓硒吸收层截面的SEM图，厚度约为1.5 µm，结晶良好；

图5为实施例1制备的铜铟镓硒吸收层的拉曼光谱曲线图；

图6为实施例1制备的CIGS薄膜太阳能电池的J-V曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围不限于此。

实施例1

一种双靶直流共溅射制备铜铟镓硒吸收层的方法，包括以下步骤：①提供镀钼的钠钙玻璃基底，直流共溅射CuGa合金靶和In靶制备铜铟镓预制层，本底真空为4×10^-4Pa，工作气体为高纯氩气（99.999%），工作压强0.5 Pa，In靶的溅射功率为80 W，CuGa合金靶的溅射功率为25 W，溅射时间40 min；②将铜铟镓预制层放入快速退火炉中，用固态硒粉和密封石墨盒在炉体压强为60 mtorr（毫托）真空下对铜铟镓预制层进行硒化处理，20s内升温至550℃，550℃下硒化30 min，自然冷却至室温，即可得到厚度为500 nm的铜铟镓硒吸收层。

所述CuGa合金靶的原子数比为Cu:Ga=4:1。

将实施例1制备得到的铜铟镓硒薄膜上用使用化学浴沉积的方法沉积一层硫化镉薄膜，然后磁控溅射法沉积ZnO和ITO薄膜，最后将样品放入掩模板中，采用真空蒸镀的方法蒸上一层Ag电极，得到CIGS太阳能薄膜电池（这些方法都是现有技术，在此不再赘述）。