[发明专利]一种通过电沉积法在Mo衬底上沉积高质量Cu薄膜的方法

说明书

一种通过电沉积法在Mo衬底上沉积高质量Cu薄膜的方法，该方法通过在Mo衬底上制备出Cu纳米颗粒，使Cu纳米颗粒作为形核点辅助沉积Cu薄膜，从而在Mo衬底表面沉积出表面平整且晶粒细小的Cu薄膜。该方法一方面可修饰Cu薄膜的表面形貌，提升Cu薄膜的薄膜质量；另一方面能够显著降低在Mo衬底上电沉积Cu薄膜对Mo衬底表面形貌的严格要求，并降低对电镀溶液成分和沉积参数的要求。该方法简单易行、操作简便，大大降低了通过电沉积方法在Mo衬底上沉积高质量Cu薄膜的沉积难度。

技术领域

本发明涉及电沉积金属薄膜制备的技术领域，特别涉及一种铜基薄膜太阳电池金属预制层的制备。

背景技术

高效率低成本太阳电池是解决目前能源危机、环境污染及生态破坏等一系列重大问题的最有效途径之一。薄膜太阳电池所需材料少(微米级厚度)，较短的载流子扩散长度即可实现光电流的收集，对于实现高效率低成本太阳电池有巨大的优势。其中Cu₂InGaSe₄(CIGS)薄膜太阳电池是研究最为成熟的材料之一，已实现规模化生产和商品化运行。目前转换效率高达22.3％。此外，由于In、Ga为稀有元素且价格昂贵，将CIGS中的In、Ga替换为地壳储量丰富且廉价的Zn、Sn元素从而得到与CIGS性质相近的Cu₂ZnSn(S,Se)₄(CZTSSe)，使得CZTSSe成为实现高效率低成本太阳电池大规模推广的理想候选材料。目前国际上CZTSSe薄膜太阳电池最高效率已经达到12.6％。在制作方法上，制备CIGS和CZTSSe薄膜的方法主要分为真空法与非真空法两种。真空法包括共蒸发沉积法和真空溅射金属预制层后硒化法，非真空法包括涂覆后硒化法和电沉积金属预制层后硒化法两种制备途径。相比于其他制备方法，电沉积法具有成本低、高通量、环境友好等优点，可大幅度降低生产成本，实现规模化生产。因此通过电沉积法制备CIGS和CZTSSe薄膜太阳电池是实现高效率低成本太阳电池的一个有效途径。

然而目前已经产业化的CIGS薄膜太阳电池仍然大多采用高成本的溅射法或者蒸发法，以产业化为目的开发的电沉积法却很少被用于产业化制备薄膜太阳电池，仍然以实验室研究为主。相比于溅射或者蒸发的真空制备方法，电沉积法很难获得致密平整、成分均匀且与衬底附着力良好的金属预制层薄膜，而且在沉积过程中薄膜的组分和形貌非常容易受到电镀溶液组分和衬底形貌变化的影响，这些问题严重限制了电沉积法制备Cu基薄膜太阳电池产业化的进一步发展。究其根本原因，这些问题是由电沉积法制备的金属薄膜的生长特性所决定的。在电沉积法制备的金属薄膜的生长过程中，金属晶粒优先在衬底表面能量更低的缺陷处(位错形成的台阶等)形核生长，并以此作为形核点不断生长长大，最终汇聚连接形成薄膜。但是衬底表面缺陷分布的不均匀性与随机性会造成形核点分布的不均匀性和随机性，使得局部位置金属晶粒快速长大，从而导致电沉积法制备的薄膜往往会出现附着力差、团簇状形貌、成分不均匀、重复性差等问题。例如，在电沉积法制备CIGS和CZTSSe薄膜太阳电池的过程中，由于Cu的还原性要比其他金属小，Cu薄膜总是首先被沉积在Mo衬底上。高质量的Cu薄膜对电镀溶液的温度、成分、PH值、Mo衬底的表面形貌都有着非常高的要求，在沉积过程中经常会出现树枝状形貌，并且同样的沉积参数可能会因为环境温度或者衬底形貌的略微改变而沉积出不同形貌的薄膜。低质量的Cu薄膜不仅会影响后续沉积的金属薄膜的形貌，而且会在最终制备出的CIGS或者CZTSSe薄膜内产生各种二次相和深能级缺陷，恶化太阳电池的器件性能。这些问题严重限制了电沉积法制备CIGS和CZTSSe薄膜太阳电池在大规模产业化上的应用。针对这一现状目前仍然没有行之有效的解决方法，国内外的研究机构与企业只是通过调控电镀溶液的成分或者电镀方法来优化电沉积法制备的薄膜的质量，并没有从根本上解决高质量的金属薄膜对沉积环境敏感度高、重复性差等问题。

发明内容