一种cigs太阳电池吸收层制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及表面工程技术领域，具体涉及一种铜铟镓砸(CIGS)太阳电池吸收层制备方法。
【背景技术】
[0002]随着空间、近空间飞行器、无人机以及地面军事智能化装备的发展，其能源供给系统对太阳电池提出了诸多新的要求，如:轻质、高效、强的抗辐射能力等。柔性铜铟镓砸薄膜太阳电池因其高的光电转换效率、强的抗辐射能力、稳定的电池性能、好的弱光特性以及低的制造成本成为当今光伏领域研宄的热点，被认为是最有发展前途的太阳电池之一。柔性基底高质量CIGS吸收层的获得在整个高效柔性CIGS薄膜太阳电池制备过程中起着决定性的作用，它不但与降低生产成本息息相关，而且与转化效率、能否大规模生产等产业化中的问题密不可分，成为研宄的重中之中。
[0003]CIGS吸收层的制备有多种工艺技术和方法，最常用的有Cu、In、Ga、Se多元三步共蒸发法、CuInGa合金薄膜预溅射后砸化法。其中多元三步共蒸发法要求在薄膜沉积过程中必需保持砸量充足，同时基底温度必需保持在400°C?600°C。后砸化法制备CIGS薄膜必需经过砸化工艺，砸化温度在550°C左右。以上两类方法制备CIGS薄膜时基底都要承受400°C?600°C的高温，以保证薄膜中完整的砸化，使薄膜具有好的成分和组织结构，因此，多用于硬性基底而不适用于柔性基底，400°C?600°C的高温要高于聚酰亚胺等柔性基底的耐受温度。
[0004]因此必须开发新的低温技术以实现聚酰亚胺基底高质量CIGS吸收层的低温沉积。
【发明内容】
[0005]有鉴于此，本发明提供了一种CIGS太阳电池吸收层制备方法，能够在较低温度下一步生成平整、致密、均匀、光电性能良好的CIGS太阳电池光吸收层薄膜，能显著降低CIGS太阳电池光吸收层薄膜的制备温度，简化工艺。
[0006]本发明具体步骤如下:
[0007]本发明的CIGS太阳电池吸收层制备方法的步骤如下:将基底加热至250°C?350°C并保温，然后在基底上采用磁控溅射CuGa合金靶和In靶、或CuGa合金靶和CuIn合金靶、或CuInGa合金靶，在溅射的同时采用砸离子束进行砸化反应，生成CIGS太阳电池吸收层。
[0008]进一步地，采用砸离子束进行砸化反应时，将离子源置于磁控靶旁边，H2Se或Se蒸气与Ar气的混合气体通入离子源中形成砸离子束进行砸化反应。
[0009]进一步地，所述离子源混合气体中H2Se或Se蒸汽所占质量比为40%?60%。
[0010]进一步地，在加热基底前，采用氩离子束轰击基底，对基底进行活化清洗。
[0011]进一步地，所述氩离子束活化清洗中，氩气流量为15?20sccm，离子束放电电压为280V，离子束电流为1A。
[0012]进一步地，所述基底为聚酰亚胺膜，膜厚为25?125微米。
[0013]有益效果:
[0014](I)本发明通过离子束砸化磁控溅射技术，可以利用Se离子高的化学活性以及离子的动能对表面吸附、解离以及扩散作用的增强而降低反应沉积温度，砸化与磁控溅射同步进行，实现聚酰亚胺基底CIGS薄膜的一步制备，且沉积温度低，工艺简单，成膜速率高，配以相应的柔性衬底卷绕设备，即可实现大面积连续化沉积，适合柔性CIGS薄膜太阳电池的产业化。同时，该方法也可用于刚性基底，较于传统方法，工艺简单，且沉积温度低，能耗低。
[0015](2)在镀膜前用阳极膜线性离子源对基底进行氩离子轰击处理，一是可以通过离子轰击，将吸附在基底表面的水分、有机污染物、杂质气体等溅射掉，提高基底与膜之间的结合力，并避免因夹杂水气造成折射率不同而影响到整体的光学性能；二是可以通过离子轰击改善聚合物基底表面活性，进而加强膜与基底键结强度。
【具体实施方式】
[0016]下面结合实施例，对本发明进行详细描述。
[0017]本发明提供了一种CIGS太阳电池吸收层制备方法，采用Se离子束代替传统砸化方式，在磁控派射CuGa合金勒!和In勒!、或CuGa合金勒!和CuIn合金勒!、或CuInGa合金革巴的同时，采用砸离子束进行砸化反应，利用离子化学活性远大于中性气体分子，而且离子所携带的能量可以提供化学反应所需的能量，使不能自然发生的化学反应过程不但发生了，而且反应强度也极大地增强，同时离子的动能可以增强表面的吸附、解离以及扩散作用，有利于吸收层薄膜在较低的温度下快速沉积，降低基底所需温度，并可以实现一步沉积，简化工
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[0018]本发明的具体实施步骤如下:
[0019]步骤I，将柔性聚合物薄膜基底放在真空室内，对真空室抽真空至2.0X10_3Pa以下；优选基底为膜厚为25?125微米的聚酰亚胺膜。
[0020]步骤2，镀膜前首先对聚酰亚胺基底进行氩离子束活化清洗，提高镀制膜层的附着力。
[0021]在镀膜前用阳极膜线性离子源对基底进行氩离子轰击处理，其目的有两个:首先，通过离子轰击，将吸附在基底表面的水分、有机污染物、杂质气体等溅射掉，由于高分子聚合物多是多孔结构，置于大气中可能吸收大量水气等杂质，镀膜后会降低基底与膜之间的结合力，同时会因夹杂水气造成折射率不同而影响到整体的光学性能；其次，可通过离子轰击改善聚合物基底表面活性，进而加强膜与基底键结强度，因高能量的离子与基底间的交互作用，破坏基底表面键结、产生高活性的悬空键，有助于促进薄膜与基底间的化学键结生成。
[0022]较高的离子束能量有助于提高清洗活化的效果，但离子束能量过大会造成基底的辐射损伤，因此，需要对离子束能量进行控制，寻找到最优的离子束能量；本发明优选氩气流量为15?20sccm，离子束放电电压为280V，离子束电流为1A。
[0023]步骤3，将基底加热到250°C?350°C并保温，然后采用离子束砸化磁控溅射技术制备CIGS吸收层:磁控派射CuGa合金革E和In革E、或CuGa合金革E和CuIn合金革E、或CuInGa合金靶，同时用砸离子束进行砸化反应，即溅射时将纯度为4N的高纯氩气通于磁控靶表面，离子源置于磁控靶旁边，H2Se或Se蒸气反应气体与Ar气的混合气体通入离子源中进行离子束反应沉积，最终反应生成CIGS薄膜太阳电池的光吸收层。镀膜过程(即CIGS薄膜太阳电池光吸收层制备过程)结束，待降温后，放气，将样品取出。
[0024]离子源采用Se蒸气与Ar气的混合气体，是考虑到Ar原子拥有较高的质量，若以Ar离子轰击成长中的薄膜，对于薄膜密度的提高有较好的效果，而Se为生成CIGS薄膜必须元素，若以Se离子轰击成长中的薄膜，可增加Se与其他元素的反应，形成良好的吸收层CIGS膜。考虑到元素配比以及薄膜质量，离子源Se蒸汽的比例优选在40%?60%。
[0025]下面给出一个具体实例:
[0026]步骤1，将50 ym厚的聚酰亚胺薄膜基底放在真空室内，对真空室抽真空至2.0XKT4Pa 以下；
[0027]步骤2，用离子源对基底进行氩离子轰击处理，提高镀制膜层的附着力；其中氩气流量为15SCCm，离子束放电电压为280V，离子束电流为IA ；
[0028]步骤3，采用离子束砸化磁控溅射新方法制备CIGS吸收层，过程和工艺参数如下:
[0029]选用的靶材为CuIn和CuGa靶，靶为长条形，溅射工作气体为纯度99.99%的氩气，派射电源是美国AE公司产的脉冲电源，输出功率最高5kW。Se蒸气和氩混合气体通入离子源中，将基底加热到250°C?350°C并保温，产生的Se离子使溅射的Cu、In, Ga在基底上反应生成CIGS薄膜。
[0030]CuIn和CuGa靶材溅射工作气体氩气经铝管通到磁控靶表面，用质量流量计调节氩气流量为5?20sccm，打开脉冲溅射电源，电压施加在靶材和真空室之间。通过工作在175°C?190°C范围内的可控Se蒸发器把获得的纯Se蒸气和氩气混合气体注入离子源的等离子体腔内，经过加速的Se离子到达基底参与砸化反应，氩离子对薄膜的轰击用于进一步改善薄膜质量，提高其性能，实现高质量CIGS薄膜的镀制。
[0031]此步骤中较为优选的一个处理技术的条件如下:离子源功率100W，离子源Se蒸气的比例40%，CuGa靶功率密度0.15W/cm2，工作气压0.15Pa，基底温度350°C，沉积60min，所制得的薄膜结构致密，符合化学计量比。
[0032]步骤4，镀膜过程结束，待降温后，放气，将样品取出。
[0033]本发明通过离子束砸化磁控溅射技术，可以利用Se离子高的化学活性以及离子的动能对表面吸附、解离以及扩散作用的增强而降低反应沉积温度，砸化与磁控溅射同步进行，实现聚酰亚胺基底CIGS薄膜的一步低温沉积，简化工艺，配以相应的柔性衬底卷绕设备，即可实现大面积连续化沉积，适合柔性CIGS薄膜太阳电池的产业化。同时，本发明也可应用于硬性基底，实现太阳电池吸收层的一步制备，并降低了传统制备过程中的基底温度。
[0034]综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种CIGS太阳电池吸收层制备方法，其特征在于，将基底加热至250°C?350°C并保温，然后在基底上采用磁控派射CuGa合金革E和In革E、或CuGa合金革E和CuIn合金勒!、或CuInGa合金靶，同时采用砸离子束进行砸化反应，生成CIGS太阳电池吸收层。
2.如权利要求1所述的CIGS太阳电池吸收层制备方法，其特征在于，采用砸离子束进行砸化反应时，将离子源置于磁控靶旁边，H2Se或Se蒸气与Ar气的混合气体通入离子源中形成砸离子束进行砸化反应。
3.如权利要求2所述的CIGS太阳电池吸收层制备方法，其特征在于，所述离子源混合气体中H2Se或Se蒸汽所占质量比为40%?60%。
4.如权利要求1?3任意一项所述的CIGS太阳电池吸收层制备方法，其特征在于，在加热基底前，采用氩离子束轰击基底，对基底进行活化清洗。
5.如权利要求4所述的CIGS太阳电池吸收层制备方法，其特征在于，所述氩离子束活化清洗中，氩气流量为15?20SCCm，离子束放电电压为280V，离子束电流为1A。
6.如权利要求1?4任意一项所述的CIGS太阳电池吸收层制备方法，其特征在于，所述基底为聚酰亚胺膜，膜厚为25?125微米。
【专利摘要】本发明公开了一种CIGS太阳电池吸收层制备方法。使用本发明能够在较低温度下一步生成平整、致密、均匀、光电性能良好的CIGS太阳电池光吸收层薄膜，能显著降低CIGS太阳电池光吸收层薄膜的制备温度，简化工艺。本发明利用Se离子高的化学活性以及离子的动能对表面吸附、解离以及扩散作用的增强而降低反应沉积温度，在基底上采用磁控溅射CuGa合金靶和In靶、或CuGa合金靶和CuIn合金靶、或CuInGa合金靶的同时，采用硒离子束进行硒化反应，生成CIGS太阳电池吸收层，实现低温一步沉积。
【IPC分类】H01L31-18
【公开号】CN104600153
【申请号】CN201410766588
【发明人】王金晓, 冯煜东, 王艺, 王志民, 赵慨, 速小梅, 王虎, 杨淼
【申请人】兰州空间技术物理研究所
【公开日】2015年5月6日
【申请日】2014年12月11日