一种利用多靶溅射调节CIGS薄膜或太阳能电池空穴浓度的方法与流程

本发明属于新能源，具体涉及印刷电路的金属沉积法制造cigs薄膜或太阳能电池。

背景技术：

1、作为第二代太阳能电池，cigs薄膜太阳能电池的效率高、成本较低、衬底多样化，有巨大的商业潜力。科学家利用铜、铟、镓、硒等元素的三步共蒸发法制备了cigs吸收层，可以很好地控制样品组分。但是大规模均匀产线蒸发源的制备本身难度较高，同时对四种不同元素蒸发速率的精确控制也需要设备具有很高的控制精度，这些问题的存在为大面积使用蒸镀法进行cigs 电池制备带来困难。并且，气态se对不锈钢具有极强的腐蚀性，在长时间使用se后，设备腔体内部会形成大量残留物，并且会在腔体内壁形成fe-se二元化合物，fe-se 化合物会在设备使用过程中发生剥落并可能落在薄膜表面，对样品有一定的污染性，导致薄膜质量降低。因此，se 蒸气的使用也导致采用共蒸发工艺生产cigs 电池时难以做到长时间的连续生产。合金预制靶溅射硒化法成本比共蒸发法低，且其溅射制备的合金预制膜的大面积均匀性好，非常适用于工业化生产。因此，溅射合金预制膜后硒化的方法也是目前被产业化生产所广泛采用的工艺方法。

2、本发明提出了一种利用多靶溅射调节cigs太阳能电池空穴浓度的方法。通过电离氩气产生高能ar等离子体，轰击cigs靶材，在预先制备好的衬底上制备cigs薄膜，通过调节不同个cigs靶材中铜的含量，实现对cigs中空穴浓度的可控调节。cigs太阳能电池主吸收层的质量对器件整体的效果的影响至关重要，该层薄膜的质量直接决定了电池效率的高低。采用磁控溅射法制备的cigs薄膜成分均匀、表面光滑，且由于所使用靶材中铜的含量不同，吸收层整体空穴浓度得以调节，形成浓度梯度，更好的适配太阳能电池的发电环境，进一步提高了cigs电池的开路电压和填充因子，有效地提高了电池的性能参数，更大程度的提升电池的光电转化效率，证明试验方案切实可行。

技术实现思路

1、针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于设计提供一种利用多靶溅射调节cigs太阳能电池空穴浓度的方法。本发明通过电离氩气产生高能ar等离子体，轰击cigs靶材，在预先制备好的衬底上制备cigs薄膜，通过调节多个cigs靶材中铜的含量，实现对cigs中空穴浓度的可控调节。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一方面，本发明提供了一种利用多靶溅射调节cigs薄膜空穴浓度的方法，包括以下步骤：

4、（1）清洗衬底表面，除去表面的污染物与灰尘。清洗后用去离子水对衬底进行液封，避免污染，取衬底，采用直流溅射法，在衬底上沉积获得mo薄膜，作为杂质元素阻挡层及背电极，并且实现mo层与衬底较好的接触；

5、（2）置于样品架上，送入高真空腔体内，加热处理；

6、（3）向腔体内充入惰性气体，开启中频电源产生外加电场，使氩原子电离产生出ar正离子和新的电子以高能量轰击靶表面，取第一靶材进行预溅射；在确定发生辉光放电后，维持10分钟，对靶材表面进行清洗以及使电源稳定运行；

7、（4）开启样品架传动装置，调节样品走速，确保样品以合适的速度在靶材表面匀速移动，生长获得均匀的第一层cigs预制层；

8、（5）取第二靶材，进行第一次溅射处理，获得cigs中间层；

9、（6）取第三靶材，进行第二次溅射处理，获得cigs表层薄膜；

10、（7）溅射结束后，将表面改性处理后的cigs薄膜取出，封装；

11、所述第一靶材、第二靶材和第三靶材的组分均不相同；

12、所述预溅射、第一次溅射和第二次溅射所用的功率不相同。

13、所述的方法，步骤（1）中所述衬底为钠钙玻璃或柔性衬底；

14、步骤（2）中所述加热处理的条件为：温度130-150℃，保温时间30-35min。

15、所述的方法，所述柔性衬底为钛箔或不锈钢箔。

16、所述的方法，步骤（3）中所述惰性气体为氩气；所述预溅射的条件为：惰性气体的流量为190-210sccm，预溅射的功率为150-160w。

17、所述的方法，步骤（4）中所述第一靶材的组分包含cu:25%，in17.5%，ga7.5%，se50%；

18、所述生长的条件为：通入惰性气体的气流量为200sccm，生长室内气压0.1pa；

19、所述样品走速为0.1-0.15m/s，在靶材表面经过6-8次。

20、所述的方法，步骤（5）中所述第二靶材的组分包含cu20%，in20%，ga10%，se50%；

21、所述第一次溅射的条件为：惰性气体气流量为200sccm，加载在中频电源的电压为200v～300v，设定功率为200w，工作压强为0.3pa。

22、所述的方法，步骤（6）中所述第三靶材的组分包含cu22.5%，in17.5%，ga7.5%，se52.5%；

23、所述第二次溅射的条件为：惰性气体气流量为100sccm，加载在中频电源的电压为150v～200v，设定功率为300w，工作压强为0.1pa。

24、第二方面，本发明提供了一种具有铜浓度梯度的cigs薄膜，采用任一项所述的方法制备得到。

25、第三方面，本发明提供了一种利用多靶溅射调节cigs太阳能电池空穴浓度的方法，通过任一项所述的方法获得表面改性处理后的cigs薄膜，在cigs薄膜的表面依次制备硫化镉cds、本征氧化锌i-zno和掺铝氧化锌azo薄膜，再利用电子束蒸发制得栅极，得到cigs太阳能电池。

26、第四方面，本发明提供了一种具有高开路电压和填充因子的cigs太阳能电池，采用所述的方法制备得到。

27、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

28、本发明通过调节多个cigs靶材中铜的含量，实现对cigs中铜含量的梯度调控，且磁控溅射法保证了cigs薄膜成分均匀、表面光滑。由于所使用靶材中铜的含量不同，吸收层整体空穴浓度得以调节，形成浓度梯度，更好的适配太阳能电池的发电环境，进一步提高了cigs电池的开路电压和填充因子，有效地提高了电池的性能参数，更大程度的提升电池的光电转化效率。

技术特征：

1.一种利用多靶溅射调节cigs薄膜空穴浓度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（1）中所述衬底为钠钙玻璃或柔性衬底；

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述柔性衬底为钛箔或不锈钢箔。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（3）中所述惰性气体为氩气；所述预溅射的条件为：惰性气体的流量为190-210sccm，预溅射的功率为150-160w。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（4）中所述第一靶材的组分包含cu:25%，in17.5%，ga7.5%，se50%；

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（5）中所述第二靶材的组分包含cu20%，in20%，ga10%，se50%；

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（6）中所述第三靶材的组分包含cu22.5%，in17.5%，ga7.5%，se52.5%；

8.一种具有铜浓度梯度的cigs薄膜，其特征在于，采用如权利要求1-7任一项所述的方法制备得到。

9.一种利用多靶溅射调节cigs太阳能电池空穴浓度的方法，其特征在于，通过如权利要求1-7任一项所述的方法获得表面改性处理后的cigs薄膜，在cigs薄膜的表面依次制备硫化镉cds、本征氧化锌i-zno和掺铝氧化锌azo薄膜，再利用电子束蒸发制得栅极，得到cigs太阳能电池。

10.一种具有高开路电压和填充因子的cigs太阳能电池，其特征在于，采用如权利要求9所述的方法制备得到。

技术总结
一种利用多靶溅射调节CIGS薄膜或太阳能电池空穴浓度的方法，属于薄膜太阳能电池技术领域。本发明通过电离氩气产生高能Ar等离子体，轰击CIGS靶材，在预先制备好的衬底上制备CIGS薄膜，通过调节CIGS靶材中铜的含量，实现对CIGS中空穴浓度的可控调节。本发明采用磁控溅射法制备的CIGS薄膜成分均匀、表面光滑，且由于所使用靶材中铜的含量不同，吸收层整体空穴浓度得以调节，进一步提高了CIGS电池的开路电压和填充因子，有效地提高了电池的性能参数，更大程度的提升电池的光电转化效率。

技术研发人员：李伟民,唐玮,俞深,李松,苑欣业,杨春雷
受保护的技术使用者：深圳先进技术研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/4/24