铜铟镓硒太阳能电池吸收层的制备方法与流程

本发明涉及太阳能电池技术领域，尤其涉及一种铜铟镓硒太阳能电池吸收层的制备方法。

背景技术：

Cu(In,Ga)Se2(CIGS)为直接带隙半导体，随着Ga元素的掺入，CIGS的带隙宽度可以在1.02eV与1.68eV之间进行调节。CIGS对可见光吸收系数高，是最有希望用于制作高效低成本薄膜太阳能电池的材料。现在的磁控溅射技术制备CIGS电池吸收层均是通过溅射多元靶材(比如单靶溅射，富铜靶和贫铜靶同时或者先后溅射)制备CIGS前驱薄膜，之后对CIGS前驱薄膜进行热处理:在真空或者一定气压的惰性气氛中将单质Se源加热形成Se的饱和蒸汽压，对前驱预制层进行硒化处理，最终制备CIGS吸收层。

但是，现有技术的缺陷是CIGS吸收层制备工艺复杂，需要通过多步溅射后再硒化。由于每一层溅射都需要精确控制调控最优元素含量比以达到CIGS制备要求，因此难以控制各膜层加工质量。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种铜铟镓硒太阳能电池吸收层的制备方法，以解决上述现有技术中的问题，简化工艺，降低生产成本，提高CIGS薄膜制备质量。

本发明提供了一种铜铟镓硒太阳能电池吸收层的制备方法，其中，包括如下步骤：

向腔室中同时通入硒化氢气体和惰性气体，在第一功率下和第一时间段内通过磁控溅射工艺向室温下的基板溅射铜镓靶材和铟靶材；

提高所述基板的温度至预设温度，在第二时间段内通过磁控溅射工艺向所述基板溅射铜镓靶材和铟靶材；

将所述第一功率提升至第二功率，在所述预设温度条件下以及在第三时间段内通过磁控溅射工艺向所述基板溅射铜镓靶材和铟靶材，以形成铜铟镓硒吸收层。

如上所述的铜铟镓硒太阳能电池吸收层的制备方法，其中，优选的是，所述将所述第一功率提升至第二功率，在所述预设温度条件下以及在第三时间段内通过磁控溅射工艺向所述基板溅射铜镓靶材和铟靶材，以形成铜铟镓硒吸收层之后，所述方法还包括：

对所述铜铟镓硒吸收层进行保温退火处理。

如上所述的铜铟镓硒太阳能电池吸收层的制备方法，其中，优选的是，所述向腔室中同时通入硒化氢气体和惰性气体，在第一功率下和第一时间段内通过磁控溅射工艺向室温下的基板溅射铜镓靶材和铟靶材之前，所述方法还包括：

遮挡所述基板的全部位置；

向所述腔室中通入所述惰性气体，在所述第一功率下和第四时间段内通过磁控溅射工艺向遮挡后的所述基板持续溅射铜镓靶材和铟靶材。

如上所述的铜铟镓硒太阳能电池吸收层的制备方法，其中，优选的是，所述向腔室中同时通入硒化氢气体和惰性气体，在第一功率下和第一时间段内通过磁控溅射工艺向室温下的基板溅射铜镓靶材和铟靶材具体包括：

向腔室中同时通入硒化氢气体和惰性气体，在溅射功率为70W的条件下通过磁控溅射工艺向室温下的基板持续溅射铜镓靶材和铟靶材5min。

如上所述的铜铟镓硒太阳能电池吸收层的制备方法，其中，优选的是，所述提高所述基板的温度至预设温度，在第二时间段内通过磁控溅射工艺向所述基板溅射铜镓靶材和铟靶材具体包括：

提高所述基板的温度至500～550度，通过磁控溅射工艺向所述基板持续溅射铜镓靶材和铟靶材15min。

如上所述的铜铟镓硒太阳能电池吸收层的制备方法，其中，优选的是，所述将所述第一功率提升至第二功率，在所述预设温度条件下以及在第三时间段内通过磁控溅射工艺向所述基板溅射铜镓靶材和铟靶材具体包括：

将溅射功率由70W提升至80W，在温度为500～550度的条件下通过磁控溅射工艺向所述基板溅射铜镓靶材和铟靶材25min。

如上所述的铜铟镓硒太阳能电池吸收层的制备方法，其中，优选的是，所述惰性气体为氩气。

如上所述的铜铟镓硒太阳能电池吸收层的制备方法，其中，优选的是，所述硒化氢气体与所述氩气的气体流量比例范围为0.1～10。

如上所述的铜铟镓硒太阳能电池吸收层的制备方法，其中，优选的是，所述铜镓靶材和所述铟靶材之间形成的溅射角度为140°～145°。

如上所述的铜铟镓硒太阳能电池吸收层的制备方法，其中，优选的是，向所述腔室中同时通入硫化氢气体。

本发明提供的铜铟镓硒太阳能电池吸收层的制备方法，通过在H2Se气氛中同时溅射CuGa靶材和In靶材，使CIGS吸收层仅通过一个步骤即可溅射成型，有效简化了加工工艺，提高了生产效率，同时也解决了现有技术中需要对多个步骤进行控制而导致控制精度低的问题。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明一种实施例提供的铜铟镓硒太阳能电池吸收层的制备方法的流程图；

图2为本发明另一种实施例提供的铜铟镓硒太阳能电池吸收层的制备方法的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图1所示，本发明实施例提供了一种铜铟镓硒(CIGS)太阳能电池吸收层的制备方法，其包括如下步骤：

S100、向腔室中同时通入硒化氢(H2Se)气体和惰性气体，在第一功率下和第一时间段内通过磁控溅射工艺向室温下的基板溅射铜镓(CuGa)靶材和铟(In)靶材。

S200、提高基板的温度至预设温度，在第二时间段内通过磁控溅射工艺向基板溅射CuGa靶材和In靶材。

S300、将第一功率提升至第二功率，在预设温度条件下以及在第三时间段内通过磁控溅射工艺向基板溅射CuGa靶材和In靶材，以形成CIGS吸收层。

本发明实施例提供的铜铟镓硒太阳能电池吸收层的制备方法，通过在H2Se气氛中同时溅射CuGa靶材和In靶材，使CIGS吸收层仅通过一个步骤即可溅射成型，有效简化了加工工艺，提高了生产效率，同时也解决了现有技术中需要对多个步骤进行控制而导致控制精度低的问题。

具体地，步骤S100具体包括：

向腔室中同时通入硒化氢气体和惰性气体，在溅射功率为70W的条件下通过磁控溅射工艺向室温下的基板持续溅射CuGa靶材和In靶材5min。

其中，室温下的基板温度较低，预先对室温下的基板进行短时间的溅射有利于在溅射过程中快速形核。

具体地，步骤S200具体包括：

提高基板的温度至550～550度，通过磁控溅射工艺向基板持续溅射CuGa靶材和In靶材30min。由于在前5min已完成形核，但低温环境会减慢结晶的速率；因此为了加快结晶，可以将基板的温度在15min内逐渐提高至500～550度，在本实施例中，优选为520度，由此可以加快晶体生长速率，同时由于基板的温度逐渐上升，从而保证了晶体生长的稳定性和均匀性。

具体地，步骤S300具体包括：

在溅射功率为80W、温度为500～550度的条件下通过磁控溅射工艺向基板持续溅射铜镓靶材和铟靶材25min。其中，由于通过对基板逐渐升温而使晶体生长过程趋于稳定，由此可以通过提高溅射功率来加快溅射，提高CIGS薄膜的沉积速率，以快速形成CIGS吸收层。

进一步地，如图2所示，在步骤S300之后还包括：

S400、对CIGS吸收层进行保温退火处理，以保证CIGS吸收层的稳定性。

进一步地，如图2所示，在步骤S100之前还包括：

S10、遮挡基板的全部位置。

S20、向腔室中通入惰性气体，在第一功率下和第四时间段内通过磁控溅射工艺向遮挡后的基板持续溅射铜镓靶材和铟靶材。由此可以在对基板溅射前对靶材进行清洗，以提高后续对基板的溅射质量。其中，可以通过在基板上设置阻隔板来实现对基板的遮挡，在对靶材清洗完成后，可以移除阻隔板，以便后续对基板进行溅射，另外，第四时间段可以为5-10min。

可以理解的是，在溅射过程中所使用的惰性气体可以是氮气(N₂)、氩气(Ar)等，在本实施例中，优选为Ar，通过将Ar作为工作载气，可以将H2Se气体携带至基板表面沉积。

需要说明的是，为了保证H2Se气氛中Se的浓度，同时提高结晶度，H2Se气体与Ar的气体流量比例可以为0.1～10，即0.1≤H2Se/Ar≤10，优选的，H2Se气体与Ar的气体流量的比例范围为1.5～5。

为了提高CuGa靶材和In靶材在基板上溅射的均匀性，CuGa靶材和In靶材之间形成的溅射角度为140°～145°，本实施例中优选为142°。

为了减少界面复合，调整优化带隙宽度，增大开路电压，增加电池效率，CuGa靶材中Ga的质量占比可以为5～30wt％。

需要说明的是，在采用磁控溅射工艺进行溅射时，可以具体采用射频溅射和直流溅射相互结合的方式，也可以仅采用直流溅射的方式，而为了提高CIGS吸收层的成型质量，简化溅射工艺，本实施例中所采用的磁控溅射工艺为直流溅射，溅射功率密度为0.3～5Wcm^-2，靶距为5～20cm，工作气压为0.2～20Pa，腔室的真空度为10^-4Pa；优选的是，溅射功率密度为1.24Wcm^-2，靶距为8～15cm，工作气压为0.5～5Pa。

可以理解的是，在需要制备铜铟镓硒硫(CIGSS)吸收层时，可以在H2Se气氛中通入硫化氢(H₂S)气体，使CuGa靶材和In靶材同时在H2Se、H₂S和Ar形成的气氛中进行溅射，由此可以仅通过一个步骤即可实现对CIGSS吸收层的制备。

本发明实施例提供的铜铟镓硒太阳能电池吸收层的制备方法，通过在H2Se气氛中同时溅射CuGa靶材和In靶材，使CIGS吸收层仅通过一个步骤即可溅射成型，有效简化了加工工艺，提高了生产效率，同时也解决了现有技术中需要对多个步骤进行控制而导致控制精度低的问题。

以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。