专利名称：一种铜铟硒基太阳能薄膜电池光吸收层用陶瓷靶材制备方法
技术领域：
本发明属于太阳能电池薄膜、派射祀材等领域,涉及一种CuIr^GahSejO < x < I)光吸收层制备用陶瓷靶材的制备方法。
背景技术：
铜铟镓硒(CIGS)薄膜电池具有转换效率高(最高转换效率接近20%)，制造成本低，同时其可在聚酰亚胺薄膜等柔性衬底上沉积，具有柔性特点，可在诸多特殊领域应用，如野外作业帐篷、航天器、太阳能帆板等。目前，铜铟镓硒薄膜太阳能电池是国际、国内光伏领域研究的热点，世界各国也投入了大量的资金在快速推动其大规模产业化。目前制备CIGS薄膜太阳能电池的主流方法有共蒸发法、金属后硒化法以及化学溶液发等，共蒸发法制备的电池转换效率高，但其控制难度大、设备成本；金属后硒化方法生产效率高，适合工业化制备，但其在硒化过程中发生化合反应，膜层体积变化大，应力大，大面积制备时，质量稳定性控制难度较大；化学溶液发的最大优势是成本低，但转换效率一般都比较。近年来，有研究团队采用CIGS陶瓷靶溅射，随后补硒的工艺制备CIGS光吸收层，该方法可有效解决共蒸发工艺存在的成分控制难度大问题，同时CIGS陶瓷靶沉积的前驱膜已经具有黄铜矿结构，补硒工艺只是使其满足化学计量比要求，因此可避免后硒化工艺存在的膜层体积变化较大的问题。由于CIGS陶瓷靶是四元合金，因此合成工艺较复杂，靶材成品率较低，靶材质量稳定性较差，成本较高，而成本和质量稳定性是影响其产业化的关键因素之一。因此简化靶材制备工艺,提高靶材成品率和质量稳定性，降低靶材成本对CIGS薄膜太阳能电池的产业化具有重要的意义。
发明内容
本发明的目是针对现有CIGS薄膜太阳能电池用CIGS靶材存在的质量不稳定和成本高问题，提供一种CIGS太阳能薄膜电池光吸收层用陶瓷靶材制备方法，本发明可提高CIGS陶瓷靶的稳定性，降低成本。本发明方法步骤如下1.根据所要获得的铜铟硒基太阳能薄膜电池光吸收层的成分，计算各二元陶瓷块在靶材溅射区域所占的面积比例，将所述的面积比例换算为相应的环状扇形的角度，并将对应的角度8等份，作为最小单元；随后量出该溅射阴极的溅射区域尺寸。设计陶瓷块尺寸时，环状扇形的宽度应比溅射区域尺寸大20% ；
2.将Ga2Se3、In2Se3和CuSe三种二元陶瓷板加工成设计的尺寸，通过调整各环状扇形角度可调整靶材的成分，本发明Ga2Se3、In2Se3和CuSe环状扇形最小单元角度范围分别为5° 8°、16° 20°和20° 22° ;3.将加工好的陶瓷块放入磁控溅射设备，在其上于室温下沉积I μ m厚Ni ;
4.在铜背板上加工出镶嵌陶瓷块的环形区域，即镶嵌区，将In5tlSn5tl低温焊料均匀涂敷在铜背板上，随后把镀有Ni的各陶瓷块交叉装入铜背板镶嵌区，相同材料的陶瓷块不能相邻；5.将拼接好的靶材放入真空炉中，并在靶材上施加30 35g/cm2的压力，真空抽至IOPa以下，以10°C /min升温至135°C，保温10S,随后快速降温至室温，取出靶材。
图1本发明靶材俯视图；图2本发明靶材剖面图；图3实施例1靶材平面图；图4实施例2靶材平面图；图5实施例3靶材平面图；图6实施例4靶材平面图；图7实施例5靶材平面图；图1和图2中Tc为铜背板，Tl、T2、T3陶瓷块；图3 图7中1为CuSe陶瓷扇形环最小单元、2为In2Se3陶瓷扇形环最小单元、3为Ga2Se3陶瓷扇形环最小单元。
具体实施例方式以下结合附图和具体实施方式
进一步说明本发明。实施例11、本实施例革巴材尺寸为□ 80mm,扇形环的内半径为IOmm,夕卜半径为35mm,如图1和2所示的Tc部分；2、In2Se3、Ga2Se3和Cu2Se的最小环状扇形的角度分别为5°，20°和20° ;3、将市场上购买的纯度99. 99%、厚度3mm的Ga2Se3、In2Se3和CuSe陶瓷薄板分别加工成步骤I和2所述尺寸的环状扇形，靶平面结构如图3所示，图中1、2和3分别代表Cu2Se、In2Se3和Ga2Se3的最小拼接单元；4、用磁控溅射的方法在加工好的陶瓷块上沉积I μ m厚的Ni，提高靶材与铜背板的结合强度；5、在6mm厚的铜背板上加工出图1和2所示的环形槽，作为靶材拼接的区域；6、将市场购买的In5tlSn5tl低温焊料均匀涂敷在铜背板上，焊料用量要适中，不能过多；7、将各陶瓷块镀有Ni面朝向铜背板在拼区域紧密交叉拼接，要求相同材料的陶瓷块不能相邻，具体拼接方法如图3所示；8、将拼接在铜背板上的靶材放置真空腔室中，并在靶材上施加30 35g/cm2的压力，并将真空抽至小于IOPa ；9、以10°C /min的升温速率升温至135°C，保温10S，随后快速降温至室温，取出靶材；用该靶材溅射制备的薄膜成分如表I所示。实施例2
1、本实施例革巴材尺寸为□ 80mm,扇形环的内半径为IOmm,夕卜半径为35mm,如图1和2所示的Tc部分；2、In2Se3、Ga2Se3和Cu2Se的最小环状扇形的角度分别为7°，18°和20° ;3、将市场上购买的纯度99. 99%、厚度3mm的Ga2Se3、In2Se3和CuSe陶瓷薄板分别加工成步骤I和2所述尺寸的环状扇形，靶平面结构如图4所示，图中1、2和3分别代表Cu2Se、In2Se3和Ga2Se3的最小拼接单元；4、用磁控溅射的方法在加工好的陶瓷块上沉积I μ m厚的Ni，提高靶材与铜背板的结合强度；5、在6mm厚的铜背板上加工出图1和2所示的环形槽，作为靶材拼接的区域；6、将市场购买的In5tlSn5tl低温焊料均匀涂敷在铜背板上，焊料用量要适中，不能过多； 7、将各陶瓷块镀有Ni面朝向铜背板在拼区域紧密交叉拼接，要求相同材料的陶瓷块不能相邻，具体拼接方法如图4所示；8、将拼接在铜背板上的靶材放置真空腔室中，并在靶材上施加30 35g/cm2的压力，并将真空抽至小于IOPa ；9、以10°C /min的升温速率升温至135°C，保温10S，随后快速降温至室温，取出靶材；用该靶材溅射制备的薄膜成分如表I所示。实施例31、本实施例革巴材尺寸为□ 80mm,扇形环的内半径为IOmm,夕卜半径为35mm,如图1和2所示的Tc部分；2、In2Se3、Ga2Se3和Cu2Se的最小环状扇形的角度分别为7°，16°和22° ;3、将市场上购买的纯度99. 99%、厚度3mm的Ga2Se3、In2Se3和CuSe陶瓷薄板分别加工成步骤I和2所述尺寸的环状扇形，靶平面结构如图5所示，图中1、2和3分别代表Cu2Se、In2Se3和Ga2Se3的最小拼接单元；4、用磁控溅射的方法在加工好的陶瓷块上沉积I μ m厚的Ni，提高靶材与铜背板的结合强度；5、在6_厚的铜背板上加工出图1和2所示的环形槽，作为靶材拼接的区域；6、将市场购买的In5tlSn5tl低温焊料均匀涂敷在铜背板上，焊料用量要适中，不能过多；7、将各陶瓷块镀有Ni面朝向铜背板在拼区域紧密交叉拼接，要求相同材料的陶瓷块不能相邻，具体拼接方法如图5所示；8、将拼接在铜背板上的靶材放置真空腔室中，并在靶材上施加30 35g/cm2的压力，并将真空抽至小于IOPa ；9、以10°C /min的升温速率升温至135°C，保温10S，随后快速降温至室温，取出靶材；用该靶材溅射制备的薄膜成分如表I所示。实施例41、本实施例革巴材尺寸为□ 80mm,扇形环的内半径为IOmm,夕卜半径为35mm,如图1和2所示的Tc部分；
2、In2Se3、Ga2Se3和Cu2Se的最小环状扇形的角度分别为8° ,16°和21° ;3、将市场上购买的纯度99. 99%、厚度3mm的Ga2Se3、In2Se3和CuSe陶瓷薄板分别加工成步骤I和2所述尺寸的环状扇形，靶平面结构如图6所示，图中1、2和3分别代表Cu2Se、In2Se3和Ga2Se3的最小拼接单元；4、用磁控溅射的方法在加工好的陶瓷块上沉积I μ m厚的Ni，提高靶材与铜背板的结合强度；5、在6mm厚的铜背板上加工出图1和2所示的环形槽，作为靶材拼接的区域；6、将市场购买的In5tlSn5tl低温焊料均匀涂敷在铜背板上，焊料用量要适中，不能过 多；7、将各陶瓷块镀有Ni面朝向铜背板在拼区域紧密交叉拼接，要求相同材料的陶瓷块不能相邻，具体拼接方法如图6所示；8、将拼接在铜背板上的靶材放置真空腔室中，并在靶材上施加30 35g/cm2的压力，并将真空抽至小于IOPa ；9、以10°C /min的升温速率升温至135°C，保温10S，随后快速降温至室温，取出靶材；用该靶材溅射制备的薄膜成分如表I所示。实施例51、本实施例革巴材尺寸为□ 80mm,扇形环的内半径为IOmm,夕卜半径为35mm,如图1和2所示的Tc部分；2、In2Se3、Ga2Se3和Cu2Se的最小环状扇形的角度分别为6° ,18°和21° ;3、将市场上购买的纯度99. 99%、厚度3mm的Ga2Se3、In2Se3和CuSe陶瓷薄板分别加工成步骤I和2所述尺寸的环状扇形，靶平面结构如图7所示，图中1、2和3分别代表Cu2Se、In2Se3和Ga2Se3的最小拼接单元；4、用磁控溅射的方法在加工好的陶瓷块上沉积I μ m厚的Ni，提高靶材与铜背板的结合强度；5、在6mm厚的铜背板上加工出图1和2所示的环形槽，作为靶材拼接的区域；6、将市场购买的In5tlSn5tl低温焊料均匀涂敷在铜背板上，焊料用量要适中，不能过多；7、将各陶瓷块镀有Ni面朝向铜背板在拼区域紧密交叉拼接，要求相同材料的陶瓷块不能相邻，具体拼接方法如图7所示；8、将拼接在铜背板上的靶材放置真空腔室中，并在靶材上施加30 35g/cm2的压力，并将真空抽至小于IOPa ；9、以10°C /min的升温速率升温至135°C，保温10S，随后快速降温至室温，取出靶材；用该靶材溅射制备的薄膜成分如表I所示。表1:祀材成分与薄膜成分对应表
权利要求
1.一种铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池光吸收层用溅射靶材的制备方法，其特征在于，所属的制备方法采用Ga2Se3、In2Se3和CuSe三种二元陶瓷块交叉拼接并焊接在铜背板上，步骤如下(1)根据所要获得的光吸收层的成分，计算各二元陶瓷块在靶材溅射区域所占的面积比例，将面积比例换算为相应的环状扇形的角度，并将对应的角度8等份，作为最小单元； 随后量出该溅射阴极的溅射区域尺寸，设计陶瓷块尺寸时，环状扇形的宽度应比溅射区域尺寸大20% ；(2)将Ga2Se3Un2Se3和CuSe三种二元陶瓷板加工成设计的尺寸，通过调整各陶瓷环状扇形角度以调整靶材的成分，所述的Ga2Se3、In2Se3和CuSe环状扇形最小单元角度范围分别为5° 8°、16° 20°和20° 22° ;(3)将加工好的陶瓷块放入磁控溅射设备，在靶材上于室温下沉积Iym厚的Ni；(4)在铜背板上加工出镶嵌陶瓷块的环形区域，即镶嵌区，将In5tlSn5tl低温焊料均匀涂敷在铜背板上，随后把镀有Ni的各陶瓷块交叉装入铜背板镶嵌区，相同材料的陶瓷块不能相邻；(5)将拼接好的靶材放入真空炉中，并在靶材上施加30 35g/cm2的压力，真空抽至 IOPa以下，以10°C /min升温至135°C，保温10S，随后快速降温至室温，取出靶材。
2.根据权利要求1所述的铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池光吸收层用溅射靶材的制备方法，其特征在于，所述Ga2Se3、In2Se3和CuSe纯度为99. 99%、厚度为3_的薄板。
3.根据权利要求1所述的铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池光吸收层用溅射靶材的制备方法，其特征在于，所述Ni镀层制备步骤如下，将加工好的陶瓷块清洗干净，并装入磁控溅射设备样品台上，安装Ni靶材，靶基距为60mm，然后抽真空至小于3. O X 10 ,随后通入氩气，将气压调至O.1 1. 5Pa，开溅射，将溅射功率增加至120W，辉光稳定后，移开挡板，沉积10 20min，随后关挡板，关溅射，关真空系统，得到表面金属化的陶瓷块。
4.根据权利要求1所述的铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池光吸收层用溅射靶材的制备方法，其特征在于，各陶瓷块拼接紧密，避免焊接过程中焊料从接缝处渗透到靶材表面。
全文摘要
一种铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池光吸收层用溅射靶材的制备方法。首先计算各二元陶瓷块在靶材溅射区域所占的面积比例，将面积比例换算为相应的环状扇形的角度，并将对应的角度8等份，作为最小单元；随后量出该溅射阴极的溅射区域尺寸；然后将Ga2Se3、In2Se3和CuSe三种二元陶瓷板加工成设计的尺寸，调整各陶瓷环状扇形角度可调整靶材的成分。Ga2Se3、In2Se3和CuSe环状扇形最小单元角度范围为5°～8°、16°～20°和20°～22°；陶瓷块放入磁控溅射设备，在室温下在陶瓷块表面沉积1μm的Ni；随后把各陶瓷块交叉装入铜背板镶嵌区；将拼接好的靶材放入真空炉中，并在其上施加30～35g/cm2的压力，真空抽至10Pa以下，以10℃/min升温至135℃，保温10S，随后快速降温至室温，取出靶材。
文档编号C23C14/06GK103014623SQ20121053404
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月11日 优先权日2012年12月11日
发明者屈飞, 古宏伟, 丁发柱, 戴少涛 申请人:中国科学院电工研究所