专利名称：铜铟镓硒薄膜电池及其制备方法
铜铟镓硒薄膜电池及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体器件，特别是涉及一种铜铟镓硒薄膜电池及其制备方法。背景技术：
铜铟镓硒(Cu (In，Ga) Se2，简称CIGS)薄膜光伏电池具有低成本、高效率、稳定性好 等优点，是公认的最具有发展和市场潜力的第二代太阳能电池。人们对其研究兴起于上个 世纪八十年代初，经过近三十年的发展，铜铟镓硒薄膜太阳能电池的理论研究以及制备工 艺取得了可喜的成果，目前其最高实验室光电转化效率达到21. 1%，是目前转化效率最高 的薄膜光伏电池。传统的铜铟镓硒薄膜太阳能电池包括一金属栅电极。传统的金属栅电极的材料一 般为Al或Al/Ni合金，形成金属栅电极的方法一般为电子束蒸发法。其基本原理如下在 高真空状态下，由热丝发射的电子经过聚焦、偏转和加速以后形成能量约为IOkeV的电子 束，轰击放在有冷却水套的坩埚中的金属源并使之蒸发，蒸发出来的金属蒸汽扩散至电池 表面，沉积成膜。然而，由于蒸发原子能量低，迁移率低，原子在表面上重新排列较困难，从而形成 原子之间的较大空隙，形成的晶粒较小，致密性较差。另外，由于电阻率随结晶粒径的减小 而增加，蒸发镀膜的导电性也较差。
发明内容基于此，有必要提供一种具有高致密性和高导电性的金属栅电极的铜铟镓硒薄膜 电池及其制备方法。一种铜铟镓硒薄膜电池，包括依次叠合的衬底、金属背电极层、光吸收层、缓冲层、 阻挡层、窗口层及减反膜层。该铜铟镓硒薄膜电池还包括形成于窗口层上的金属栅电极。金 属栅电极包括位于减反膜层上的第一钼层，位于第一钼层上的铜层，和位于铜层上的第二 钼层。在优选的实施例中，该第一钼层的厚度为150nm 250nm。在优选的实施例中，该铜层的厚度为750nm lOOOnm。在优选的实施例中，该第二钼层的厚度为75nm 125nm。在优选的实施例中，还包括形成在该窗口层上的减反膜层。一种铜铟镓硒薄膜电池的制备方法，包括如下步骤在衬底上依次形成叠合的金 属背电极层、光吸收层、缓冲层、阻挡层和窗口层；及在该窗口层上形成金属栅电极；其中， 该形成金属栅电极的步骤包括在该窗口层上磁控溅镀第一钼层；在该第一钼层上磁控溅 镀铜层；在该铜层磁控溅镀第二钼层。在优选的实施例中，磁控溅镀第一钼层时，溅射真空度为IX ICT1Pa 3 X ICT1Pa, 功率密度为3W/cm2 6W/cm2，溅射时间为IOOs 150s，该第一钼层的厚度为150nm 250nmo
在优选的实施例中，磁控溅镀铜层时，溅射真空度为SXIiT1Pa SXIiT1Pa,功率 密度为2W/cm2 4W/cm2，溅射时间为3min 5min，该铜层的厚度为750nm lOOOnm。在优选的实施例中，磁控溅镀第二钼层时，溅射真空度为IX ICT1Pa 3X ICT1Pa, 功率密度为3W/cm2 6W/cm2，溅射时间为50s 75s，该铜层的厚度为75nm 125nm。在优选的实施例中，在该窗口层上形成金属栅电极的步骤之后，还包括在该窗口 层上形成减反膜层。上述方法利用直流磁控溅射技术，在铜铟镓硒薄膜太阳能电池的基板上，制作Mo/ Cu/Mo金属栅电极。通过调整溅射功率，真空度，时间，最终获得一种沉积速率快，且具有高 附着力，高致密性和导电性的金属栅电极。
图1为一实施例的铜铟镓硒薄膜电池的剖视图，该铜铟镓硒薄膜电池包括金属栅 电极；图2为图1中金属栅电极的局部放大图。
具体实施方式下面结合附图及实施方式对铜铟镓硒薄膜电池及其制备方法作进一步详细说明。请参阅图1，一实施例的铜铟镓硒薄膜电池100包括依次叠合的衬底10、金属背电 极层20、光吸收层30、缓冲层40、阻挡层50、窗口层60。铜铟镓硒薄膜电池100还包括设于 窗口层60上的金属栅电极70。衬底10可为钠钙玻璃衬底。金属背电极层20可为金属钼(Mo)背电极层，可采用直流磁控溅射的方法在衬底 10上沉积约1 μ m厚的Mo，以形成金属背电极层20。光吸收层30可为ρ型铜铟镓硒吸收层，可采用四源高温共蒸发工艺或者溅射硒化 工艺在金属背电极层20上沉积略大于2 μ m厚的Cu (In, Ga) Se2薄膜，以形成光吸收层30。缓冲层40可为CdS缓冲层，可通过化学水浴法在光吸收层30上形成约50nm厚的 CdS，以形成缓冲层40。阻挡层50可为本征高阻i-ZnO阻挡层，可通过射频磁控溅射的方法在缓冲层40 沉积约50nm厚的i-ZnO，以形成阻挡层50。窗口层60可为Ζη0:Α1透明高电导前电极窗口层，可通过射频磁控溅射的方法在 阻挡层50上沉积约500nm厚ZnO:Al，以形成窗口层60。请同时参阅图2，金属栅电极70包括位于窗口层60上的第一钼层71，位于第一钼 层71上的铜层73，和位于铜层73上的第二钼层75。第一钼层的厚度为150nm 250nm。 铜层的厚度为750nm lOOOnm。第二钼层的厚度为75nm 125nm。由于金属栅电极70采 用的是常规金属，因此能够节省制造成本。为了提高能量吸收和转化效率，铜铟镓硒薄膜电池100还可包括减反膜层80。减 反膜层80可为MgF2减反膜，可通过射频磁控溅射方法在窗口层60上未形成金属栅电极70 的部位沉积MgF2,以形成减反膜层80。上述铜铟镓硒薄膜电池100的制备方法包括如下步骤
步骤Si，在衬底10上依次形成叠合的金属背电极层20、光吸收层30、缓冲层40、 阻挡层50和窗口层60，以形成基片。步骤S2，在基片的窗口层60上的部分区域形成金属栅电极70。形成金属栅电极70的步骤包括步骤S21，使用同基片尺寸大小一致的掩膜板，并将掩膜板固定在基片上方，与基 片表面保持贴紧。掩膜板的镂空部分与最终栅电极样式一致。步骤S22，将基片连同掩膜板一起放入磁控溅射镀膜机腔体内的基座上，固定好位 置。磁控溅射镀膜机可为含有双靶材的机器，其中一个靶材为Cu靶，另外一个为Mo靶。靶 材可为圆形靶材。磁控溅射镀膜机内的真空度5X 10_4 5X 10_6Pa，基片无需加热。步骤S23，在窗口层60上溅射镀膜第一钼层71。溅镀第一钼层71时，溅射真空度 为IX ICT1Pa 3 X ICT1Pa ；功率密度为3ff/cm2 6ff/cm2 ；溅射时间为IOOs 150s。步骤S24，在第一钼层71上溅射镀膜铜层73。溅镀铜层73时，溅射真空度为 5 X ICT1Pa 8 X ICT1Pa,功率密度为2W/cm2 4W/cm2，溅射时间为3min 5min。步骤S25，在铜层73上溅射镀膜第二钼层75。溅镀第二钼层75时，溅射真空度为 IX ICT1Pa 3 X ICT1Pa,功率密度为3ff/cm2 6W/cm2，溅射时间为50s 75s。全部镀膜时间不超过lOmin。步骤S3，在基片的窗口层60上未形成金属栅电极70的部分区域通过射频磁控溅 射方法沉积MgF2,以形成减反膜层80。步骤S3也可省略。由此，铜铟镓硒薄膜电池100制备完毕。
下面结合具体实施里来进一步说明。实施例1 提供一个含有两个圆形Cu和Mo靶材的直流磁控溅射设备，靶材直径 15cm。将一片厚度约为2mm的基片表面紧贴设计好的掩膜板并平放固定样品架上。该基片 是具有M0/CIGS/CdS/i-ZnO/ZnO:Al电池结构的玻璃片。基片上样品架可通过传动装置， 使基片位置分别迅速切换于Cu和Mo靶材之下。将腔体本底真空抽至5X10_5Pa。通入Ar 气，将溅射压强调整至2X KT1Pa,将Mo靶功率加到800W，起辉后，将基片切换于Mo靶材之 下，溅射镀膜120s，获得第一层Mo膜。然后，将溅射压强调整至6X ICT1Pa,将Cu靶功率加 到500W，起辉后，将基片切换于Cu靶材之下，溅射镀膜4 5min，获得Cu膜。最后，将溅射 压强再次调整至2 X KT1Pa,将Mo靶功率加到800W，起辉后，将基片切换于Mo靶材之下，溅 射镀膜60s，获得第二层Mo膜。至此，镀膜过程结束，获得高附着力，致密性，和导电性的金 属Mo/Cu/Mo栅电极。实施例2 提供一个含有两个长方形Cu和Mo靶材的直流磁控溅射设备，靶材长 25cm,宽10cm。将一片厚度约为2mm的基片表面紧贴设计好的掩膜板并平放固定样品架上。 该基片是具有M0/CIGS/CdS/i-ZnO/ZnO:Al电池结构的玻璃片。样品架可通过传动装置， 使基片位置分别迅速切换于Cu和Mo靶材之下。将腔体本底真空抽至5X10_5Pa。通入Ar 气，将溅射压强调整至2 X IO-1Pa,将Mo靶功率加到1100W，起辉后，将基片切换于Mo靶材之 下，溅射镀膜120s，获得第一层Mo膜。然后，将溅射压强调整至6X ICT1Pa,将Cu靶功率加 到750W，起辉后，将基片切换于Cu靶材之下，溅射镀膜4 5min，获得Cu膜。最后，将溅射 压强再次调整至2 X IO-1Pa,将Mo靶功率加到1100W，起辉后，将基片切换于Mo靶材之下，溅 射镀膜60s，获得第二层Mo膜。至此，镀膜过程结束，获得高附着力，致密性，和导电性的金
5属Mo/Cu/Mo栅电极。与传统的电子束蒸发M/A1栅电极相比，本发明利用了较为廉价和普及率较高的 直流磁控溅射设备，从而降低了制作成本。更重要的是，直流磁控溅射新方法克服了传统工 艺制作速度慢的缺点，有利于加快工艺进程，从而提高了效率。另外，利用直流磁控溅射制 作的金属栅电极在附着力，致密性，和导电性都优于电子束蒸发。因此，上述金属栅电极的 制备方法，对于进一步提高CIGS薄膜光伏电池的推广应用，具有重要的意义。以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并 不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保 护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
权利要求
一种铜铟镓硒薄膜电池，包括依次叠合的衬底、金属背电极层、光吸收层、缓冲层、阻挡层、窗口层，其特征在于还包括形成于该窗口层上的金属栅电极，该金属栅电极包括位于该窗口层上的第一钼层，位于该第一钼层上的铜层，和位于该铜层上的第二钼层。
2.根据权利要求1所述的铜铟镓硒薄膜电池，其特征在于该第一钼层的厚度为 150nm 250nmo
3.根据权利要求1所述的铜铟镓硒薄膜电池，其特征在于该铜层的厚度为750nm IOOOnm0
4.根据权利要求1所述的铜铟镓硒薄膜电池，其特征在于，该第二钼层的厚度为 75nm 125nm。
5.根据权利要求1所述的铜铟镓硒薄膜电池，其特征在于，还包括形成在该窗口层上， 并与该金属栅电极相邻的减反膜层。
6.一种铜铟镓硒薄膜电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤在衬底上依次形成叠合的金属背电极层、光吸收层、缓冲层、阻挡层和窗口层；及在该窗口层上形成金属栅电极；其中，该形成金属栅电极的步骤包括在该窗口层上磁控溅镀第一钼层；在该第一钼层上磁控溅镀铜层；及在该铜层磁控溅镀第二钼层。
7.根据权利要求6所述的铜铟镓硒薄膜电池的制备方法，其特征在于磁控溅镀第一 钼层时，溅射真空度为IX ICT1Pa 3 X ICT1Pa,功率密度为3W/cm2 6W/cm2，溅射时间为 IOOs 150s，该第一钼层的厚度为150nm 250nm。
8.根据权利要求6所述的铜铟镓硒薄膜电池的制备方法，其特征在于磁控溅镀铜层 时，溅射真空度为5 X ICT1Pa 8 X ICT1Pa,功率密度为2W/cm2 4W/cm2，溅射时间为3min 5min，该铜层的厚度为750nm lOOOnm。
9.根据权利要求6所述的铜铟镓硒薄膜电池的制备方法，其特征在于磁控溅镀第二 钼层时，溅射真空度为IX ICT1Pa 3X ICT1Pa,功率密度为3W/cm2 6W/cm2，溅射时间为 50s 75s，该铜层的厚度为75nm 125nm。
10.根据权利要求6所述的铜铟镓硒薄膜电池的制备方法，其特征在于在该窗口层上 形成金属栅电极的步骤之后，还包括在该窗口层上形成与该金属栅电极相邻的减反膜层。
全文摘要
一种铜铟镓硒薄膜电池，包括依次叠合的衬底、金属背电极层、光吸收层、缓冲层、阻挡层、窗口层及减反膜层。该铜铟镓硒薄膜电池还包括形成于窗口层上的金属栅电极。金属栅电极包括位于减反膜层上的第一钼层，位于第一钼层上的铜层，和位于铜层上的第二钼层。上述铜铟镓硒薄膜电池具有高致密性和高导电性的金属栅电极。本发明还提供上述铜铟镓硒薄膜电池的制备方法。
文档编号H01L31/04GK101980368SQ201010279009
公开日2011年2月23日 申请日期2010年9月9日 优先权日2010年9月9日
发明者王晓峰 申请人:中国科学院深圳先进技术研究院