一种铜铟镓硒薄膜的制备方法与流程

本发明涉及光伏薄膜材料技术领域，特别涉及一种铜铟镓硒薄膜的制备方法。

背景技术：

铜铟镓硒薄膜太阳能电池具有转化效率高、成本较低、适合大规模生产等优点。其吸收层属于Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族半导体材料，具有1.04～1.65e V的可调禁带宽度和高达10⁵cm^-1的吸收系数,在众多的薄膜太阳电池中，铜铟镓硒薄膜太阳能电池被认为是最有发展前途的一种。近十年间，已经成为广大科研工作者研究的热点。

金属预制层后硒化法是目前首选的铜铟镓硒薄膜制备方法。金属预制层后硒化法，首先是在背电极上按照一定比例将铜、铟、镓进行沉积形成金属预制层，然后再在硒气氛中进行高温硒化，进而形成最终比例要求的铜铟镓硒多晶薄膜。在金属预制层的制备中以磁控溅射为常用的方法，金属预制层后硒化法在大面积成膜上均匀性较好，元素的配比更加精准。

但是在现有的溅射后硒化法中，硒由上表面往下供给，由于金属前驱体薄膜中的镓和铟与硒的反应速率不同，得到的薄膜很容易出现镓在钼背电极处过多聚集的现象，会形成从薄膜表面到背面的带隙逐渐增大的单梯度分布，并且[Ga/(In+Ga)]比值在薄膜的不同位置差别太大。因此，现有的溅射后硒化法制备的铜铟镓硒薄膜，表面的带隙往往会比较低，制成的太阳电池器件由于载流子复合损失，开路电压也会减小。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种铜铟镓硒薄膜的制备方法，该方法简单易控，制备的铜铟镓硒薄膜作为光吸收层性能良好。

为实现上述目的，本发明采用的技术手段为：

一种铜铟镓硒薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)在沉积钼背电极的衬底上磁控溅射形成铜铟镓硒第一预制层；

(2)在铜铟镓硒第一预制层上磁控溅射形成包含硒化物系列化合物的铜铟镓硒第二预制层，Ga/(In+Ga)的比值与铜铟镓硒第一预制层之差为0～0.03；

(3)硒化热处理前两步形成的预制层薄膜，得到铜铟镓硒薄膜。

优选地，磁控溅射前，对所用靶材进行10min预溅射。

优选地，形成铜铟镓硒第一预制层包括先形成铜镓合金层，再于铜镓合金层上形成铟金属层。

优选地，铜铟镓硒第二预制层中硒化物系列化合物包含Cu-Se、In-Se、Ga-Se、Cu-In-Se组合化合物中的一种或几种。

优选地，铜铟镓硒第二预制层Se/(Cu+In+Ga))为0.3～1.0。

优选地，溅射的铜铟镓硒第一预制层以及铜铟镓硒第二预制层各元素比满足Cu/(In+Ga)为0.7～0.9，Ga/(In+Ga)为0.3～0.4。

优选地，磁控溅射时气体压强为0.1Pa～10Pa。

优选地，硒化热处理前，在铜铟镓硒第二预制层上蒸发沉积硒形成硒层。

优选地，硒化热处理温度500℃～550℃，时间20min～60min。

优选地，硒化热处理加热过程为，先20℃/min升温至200℃，再100℃/min升温至510℃～560℃，维持2分钟，然后10℃/min降温至500℃～550℃，维持30min～60min。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：

相对于传统溅射后硒化两步法，本发明增加了在金属预制层后增了一层包含硒化物系列化合物的铜铟镓硒第二预制层。

铜铟镓硒第一预制层内铟与其他元素反应的活性大大强于镓的反应活性，使得铜铟镓硒第一预制层内禁带宽度由靠近衬底的底部到远离衬底的顶部逐渐减小，形成梯度，使得吸收光能量范围拓宽，铜铟镓硒第一预制层利用镓、铟反应活性的自身性能差别自然地形成梯度分布的带隙，工艺简单；

由于Ga在共价结构的化合物中移动速度慢，因此铜铟镓硒第二预制层内Ga分布相对变化微小，进而使得铜铟镓硒第二预制层内带隙变化微小，禁带宽度水平可控，可以容易的实现高于铜铟镓硒第一预制层顶部的禁带宽度设置，进而实现在最终所制得的太阳能电池铜铟镓硒薄膜中，禁带宽度由钼背电极侧向缓冲层侧呈先降后升的整体变化趋势，减小电子空穴对的复合，延长了光生载流子的寿命。

因此本发明铜铟镓硒薄膜制备方法简单易控，制备的铜铟镓硒薄膜作为光吸收层性能良好，提高了使用该铜铟镓硒薄膜的太阳能电池的光电转换效率，增加了太阳能电池的开路电压。

附图说明

图1本发明制备的铜铟镓硒薄膜退火前结构示意图；

图2为本发明制备的铜铟镓硒薄膜的梯度带隙示意图；

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面通过实施例对本发明进一步说明，实施例只用于解释本发明，不会对本发明构成任何的限定。

本发明所用靶材为铜靶、铜镓合金靶、铟靶和镓靶(Ga₂Se₃)组成。

实施例1

一种铜铟镓硒薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)将沉积钼背电极的衬底放入磁控溅射腔室中，抽真空至5×10^-4Pa，并打开氩气控制阀门，以在磁控溅射腔室中通入磁控溅射所需的氩气，氩气压1.0Pa下，对所用靶材进行10min预溅射，以清除靶材表面吸附的杂质颗粒。氩气压1.0Pa下，磁控溅射形成铜铟镓硒第一预制层1，具体为，先通过铜镓合金靶在衬底上溅射一层280nm铜镓合金层11，再在铜镓合金层上用铟靶溅射一层400nm铟金属层12，调整溅射功率，使Cu/(In+Ga)＝0.75，Ga/(In+Ga)＝0.4。

(2)氩气压不变，由铜靶、铟靶和镓靶(Ga₂Se₃)在铜铟镓硒第一预制层上磁控溅射形成500nm铜铟镓硒第二预制层2，调整溅射功率，使Cu/(In+Ga)＝0.77，Ga/(In+Ga)＝0.4。

(3)硒化热处理前两步形成的预制层薄膜，得到铜铟镓硒薄膜。

将前两步形成的预制层薄膜送入线性蒸发器中，在5×10^-3Pa的真空度下，热蒸发重量为3g硒颗粒，在铜铟镓硒第二预制层上沉积硒，得到一层厚度为1013nm的硒层3；之后将样品放入退火炉中，5×10^-4Pa氮气的氛围中，先20℃/min升温至200℃，再100℃/min升温至550℃，维持2分钟，然后10℃/min降温至540℃，维持45min。

将本实施例制备的铜铟镓硒薄膜制备成太阳能电池，在25℃、AM1.5的条件下对的电池器件进行I-V测试，测得电池开路电压520mv，光电转换效率11.1％。

实施例2

一种铜铟镓硒薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)将沉积钼背电极的衬底放入磁控溅射腔室中，抽真空至5×10^-4Pa，并打开氩气控制阀门，以在磁控溅射腔室中通入磁控溅射所需的氩气，氩气压1.0Pa下，对所用靶材进行10min预溅射，以清除靶材表面吸附的杂质颗粒。氩气压1.0Pa下，磁控溅射形成铜铟镓硒第一预制层1，具体为，先通过铜镓合金靶在衬底上溅射一层315nm铜镓合金层11，再在铜镓合金层上用铟靶溅射一层421nm铟金属层12，调整溅射功率，使Cu/(In+Ga)＝0.72，Ga/(In+Ga)＝0.35。

(2)氩气压不变，由铜靶、铟靶和镓靶(Ga₂Se₃)在铜铟镓硒第一预制层上磁控溅射形成512nm铜铟镓硒第二预制层2，调整溅射功率，使Cu/(In+Ga)＝0.7，Ga/(In+Ga)＝0.36。

(3)硒化热处理前两步形成的预制层薄膜，得到铜铟镓硒薄膜。

将前两步形成的预制层薄膜送入线性蒸发器中，在5×10^-3Pa的真空度下，热蒸发重量为3g硒颗粒，在铜铟镓硒第二预制层上沉积硒，得到一层厚度为1105nm的硒层3；之后将样品放入退火炉中，5×10^-4Pa氮气的氛围中，先20℃/min升温至200℃，再100℃/min升温至515℃，维持2分钟，然后10℃/min降温至510℃，维持50min。

将本实施例制备的铜铟镓硒薄膜制备成太阳能电池，在25℃、AM1.5的条件下对的电池器件进行I-V测试，测得电池开路电压515mv，光电转换效率10.9％。

实施例3

一种铜铟镓硒薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)将沉积钼背电极的衬底放入磁控溅射腔室中，抽真空至5×10^-4Pa，并打开氩气控制阀门，以在磁控溅射腔室中通入磁控溅射所需的氩气，氩气压1.0Pa下，对所用靶材进行10min预溅射，以清除靶材表面吸附的杂质颗粒。氩气压1.0Pa下，磁控溅射形成铜铟镓硒第一预制层1，具体为，先通过铜镓合金靶在衬底上溅射一层285nm铜镓合金层11，再在铜镓合金层上用铟靶溅射一层370nm铟金属层12，调整溅射功率，使Cu/(In+Ga)＝0.73，Ga/(In+Ga)＝0.38。

(2)氩气压不变，由铜靶、铟靶和镓靶(Ga₂Se₃)在铜铟镓硒第一预制层上磁控溅射形成500nm铜铟镓硒第二预制层2，调整溅射功率，使Cu/(In+Ga)＝0.7，Ga/(In+Ga)＝0.4。

(3)硒化热处理前两步形成的预制层薄膜，得到铜铟镓硒薄膜。

将前两步形成的预制层薄膜送入线性蒸发器中，在5×10^-3Pa的真空度下，热蒸发重量为3g硒颗粒，在铜铟镓硒第二预制层上沉积硒，得到一层厚度为1000nm的硒层3；之后将样品放入退火炉中，5×10^-4Pa氮气的氛围中，先20℃/min升温至200℃，再100℃/min升温至560℃，维持2分钟，然后10℃/min降温至550℃，维持35min。

将本实施例制备的铜铟镓硒薄膜制备成太阳能电池，在25℃、AM1.5的条件下对的电池器件进行I-V测试，测得电池开路电压520mv，光电转换效率11.9％。

实施例4

一种铜铟镓硒薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)将沉积钼背电极的衬底放入磁控溅射腔室中，抽真空至5×10^-4Pa，并打开氩气控制阀门，以在磁控溅射腔室中通入磁控溅射所需的氩气，氩气压1.0Pa下，对所用靶材进行10min预溅射，以清除靶材表面吸附的杂质颗粒。氩气压1.0Pa下，磁控溅射形成铜铟镓硒第一预制层1，具体为，先通过铜镓合金靶在衬底上溅射一层315nm铜镓合金层11，再在铜镓合金层上用铟靶溅射一层405nm铟金属层12，调整溅射功率，使Cu/(In+Ga)＝0.71，Ga/(In+Ga)＝0.38。

(2)氩气压不变，由铜靶、铟靶和镓靶(Ga₂Se₃)在铜铟镓硒第一预制层上磁控溅射形成530nm铜铟镓硒第二预制层2，调整溅射功率，使Cu/(In+Ga)＝0.72，Ga/(In+Ga)＝0.4。

(3)硒化热处理前两步形成的预制层薄膜，得到铜铟镓硒薄膜。

将前两步形成的预制层薄膜送入线性蒸发器中，在5×10^-3Pa的真空度下，热蒸发重量为3g硒颗粒，在铜铟镓硒第二预制层上沉积硒，得到一层厚度为980nm的硒层3；之后将样品放入退火炉中，5×10^-4Pa氮气的氛围中，先20℃/min升温至200℃，再100℃/min升温至540℃，维持2分钟，然后10℃/min降温至530℃，维持55min。

将本实施例制备的铜铟镓硒薄膜制备成太阳能电池，在25℃、AM1.5的条件下对的电池器件进行I-V测试，测得电池开路电压512mv，光电转换效率12.1％。

实施例5

一种铜铟镓硒薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)将沉积钼背电极的衬底放入磁控溅射腔室中，抽真空至5×10^-4Pa，并打开氩气控制阀门，以在磁控溅射腔室中通入磁控溅射所需的氩气，氩气压1.0Pa下，对所用靶材进行10min预溅射，以清除靶材表面吸附的杂质颗粒。氩气压1.0Pa下，磁控溅射形成铜铟镓硒第一预制层1，具体为，先通过铜镓合金靶在衬底上溅射一层292nm铜镓合金层11，再在铜镓合金层上用铟靶溅射一层413nm铟金属层12，调整溅射功率，使Cu/(In+Ga)＝0.8，Ga/(In+Ga)＝0.38。

(2)氩气压不变，由铜靶、铟靶和镓靶(Ga₂Se₃)在铜铟镓硒第一预制层上磁控溅射形成515nm铜铟镓硒第二预制层2，调整溅射功率，使Cu/(In+Ga)＝0.75，Ga/(In+Ga)＝0.4。

(3)硒化热处理前两步形成的预制层薄膜，得到铜铟镓硒薄膜。

将前两步形成的预制层薄膜送入线性蒸发器中，在5×10^-3Pa的真空度下，热蒸发重量为3g硒颗粒，在铜铟镓硒第二预制层上沉积硒，得到一层厚度为950nm的硒层3；之后将样品放入退火炉中，5×10^-4Pa氮气的氛围中，先20℃/min升温至200℃，再100℃/min升温至545℃，维持2分钟，然后10℃/min降温至540℃，维持50min。

将本实施例制备的铜铟镓硒薄膜制备成太阳能电池，在25℃、AM1.5的条件下对的电池器件进行I-V测试，测得电池开路电压518mv，光电转换效率10.4％。

对比例

一种铜铟镓硒薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)将沉积钼背电极的衬底放入磁控溅射腔室中，抽真空至5×10^-4Pa，并打开氩气控制阀门，以在磁控溅射腔室中通入磁控溅射所需的氩气，氩气压1.0Pa下，对所用靶材进行10min预溅射，以清除靶材表面吸附的杂质颗粒。氩气压1.0Pa下，铜镓合金靶和铟靶磁控溅射形成铜铟镓硒金属1200nm预制层，使Cu/(In+Ga)＝0.71，Ga/(In+Ga)＝0.35。

(2)硒化热处理前两步形成的预制层薄膜，得到铜铟镓硒薄膜。

将前两步形成的预制层薄膜送入线性蒸发器中，在5×10^-3Pa的真空度下，热蒸发重量为3g硒颗粒，在铜铟镓硒第二预制层上沉积硒，得到一层厚度为1015nm的硒层；之后将样品放入退火炉中，5×10^-4Pa氮气的氛围中，先20℃/min升温至200℃，再100℃/min升温至550℃，维持2分钟，然后10℃/min降温至540℃，维持55min。

将对比例制备的铜铟镓硒薄膜制备成太阳能电池，在25℃、AM1.5的条件下对的电池器件进行I-V测试，测得电池开路电压450mv，光电转换效率7.2％。