一種共濺射法制備cigs薄膜太陽能電池吸收層的方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于一種共濺射法制備CIGS薄膜太陽能電池吸收層的方法，包括以下步驟：①提供基底，采用銅銦鎵硒靶進(jìn)行射頻濺射，同時采用銦靶進(jìn)行直流濺射，共濺射制備得到銅銦鎵硒預(yù)制層；②將銅銦鎵硒預(yù)制層放入快速退火爐中，氮氣保護(hù)下分兩次硒化，自然冷卻至室溫，即可得到CIGS薄膜太陽能電池吸收層。本發(fā)明采用CIGS標(biāo)準(zhǔn)四元靶進(jìn)行濺射的技術(shù)途徑有利于規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，通過本發(fā)明可有效地解決標(biāo)準(zhǔn)CIGS四元靶在濺射過程中造成的銦元素的損失，可得到符合化學(xué)計量比的CIGS吸收層材料。通過兩步升溫法對所制備的CIGS吸收層進(jìn)行退火處理，可進(jìn)一步增強(qiáng)其硒化的完全度和結(jié)晶性，可得到表面均勻、厚度一致的高質(zhì)量CIGS。
【專利說明】
一種共濺射法制備CIGS薄膜太陽能電池吸收層的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于光電功能材料與薄膜光伏器件領(lǐng)域，具體涉及一種共濺射法制備CIGS薄膜太陽能電池吸收層的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]21世紀(jì)的第一個十年，隨著人們對傳統(tǒng)化石能源日漸枯竭的認(rèn)識不斷加深和對環(huán)保意識的日益提高，新能源的發(fā)展進(jìn)入了快車道。各種新能源科學(xué)技術(shù)正在從實驗室研究走向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，漸漸地改變著人們的生產(chǎn)生活方式。一場以新能源為基石的產(chǎn)業(yè)革命緩緩拉開了序幕。薄膜太陽能電池的研究近年來發(fā)展迅速，已成為太陽能電池領(lǐng)域中最活躍的方向，而其中銅銦鎵砸尤為引人注目，是太陽能電池材料體系中能夠同時兼顧高效率和低成本的、最好的和最現(xiàn)實的體系。銅銦鎵砸薄膜太陽能電池的光吸收層由低成本的銅基半導(dǎo)體材料組成，其吸光能力遠(yuǎn)強(qiáng)于晶體硅，其在太陽光譜區(qū)光吸收深度高達(dá)微米量級。
[0003]在諸多的制備CIGS吸收層的技術(shù)中，磁控濺射法制備CIGS薄膜太陽電池容易實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，最簡便的制備方式是直接濺射CIGS四元靶材，然而在濺射過程中由于四種元素的濺射速率不盡相同，尤其銦元素的濺射效率較低，會造成所制備的CIGS吸收層化學(xué)計量比和靶材的原始比例存在較大的偏差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種簡單、方便、可大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的共濺射法制備CIGS薄膜太陽能電池吸收層的方法。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，一種共濺射法制備CIGS薄膜太陽能電池吸收層的方法，包括以下步驟:①提供基底，采用銅銦鎵砸靶進(jìn)行射頻濺射，同時采用銦靶進(jìn)行直流濺射，共濺射制備得到銅銦鎵砸預(yù)制層;共濺射的工藝條件為:本體真空度達(dá)至IJ7?8X 10—4Pa以下，工作壓強(qiáng)為0.5-0.6 Pa，共濺射時間為110-120 min，銅銦鎵砸靶的射頻濺射功率為110 W，銦靶直流濺射的功率為70 W;②將銅銦鎵砸預(yù)制層放入快速退火爐中，氮氣保護(hù)下80?90s內(nèi)升溫至245?255°C，然后采用固態(tài)砸源在245?255°C下砸化20?30min，然后在20?30s內(nèi)升溫至545?500°C，在545?500°C下二次砸化15?20 min，自然冷卻至室溫，即可得到CIGS(銅銦鎵砸)薄膜太陽能電池吸收層。
[0006]優(yōu)選的，步驟①中所用銅銦鎵砸靶采用CIGS標(biāo)準(zhǔn)四元靶，原子數(shù)比為Cu:1n:Ga: Se=1:0.7:0.3:2，銦靶的純度為 99.99% ο
[0007]優(yōu)選的，步驟①中所用的基底為鍍鉬的鈉鈣玻璃基底。
[0008]本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是:本發(fā)明利用共濺射的方法(射頻電源濺射CIGS標(biāo)準(zhǔn)四元靶的同時，同步利用直流電源濺射銦靶進(jìn)行銦元素的補(bǔ)充)，通過本發(fā)明可有效地解決標(biāo)準(zhǔn)CIGS四元靶在濺射過程中造成的銦元素的損失，可得到符合化學(xué)計量比的CIGS吸收層材料。通過兩步升溫法對所制備的CIGS吸收層進(jìn)行退火處理，可進(jìn)一步增強(qiáng)其砸化的完全度和結(jié)晶性，可得到表面均勻、厚度一致、化學(xué)組分符合計量比的高質(zhì)量CIGS。所制備的高質(zhì)量CIGS吸收層材料組成完整薄膜光伏器件后，其效率超過10%，同時本發(fā)明采用CIGS標(biāo)準(zhǔn)四元靶進(jìn)行濺射的技術(shù)途徑有利于規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0009]圖1為實施例1制備的銅銦鎵砸預(yù)制層的表面形貌圖，表面平整致密；
圖2為實施例1制備的銅銦鎵砸預(yù)制層的截面結(jié)構(gòu)圖，厚度均一；
圖3為實施例1制備的CIGS薄膜太陽能電池吸收層的表面形貌圖，表面致密；
圖4為實施例1制備的CIGS薄膜太陽能電池吸收層的截面結(jié)構(gòu)圖，具有較好的結(jié)晶度； 圖5為實施例1制成的完整光伏器件的光電轉(zhuǎn)換效率測試結(jié)果圖。
【具體實施方式】
[0010]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于此。
[0011]實施例1
一種共濺射法制備CIGS薄膜太陽能電池吸收層的方法，包括以下步驟:①提供鍍鉬的鈉鈣玻璃基底，采用銅銦鎵砸靶進(jìn)行射頻濺射，同時采用銦靶進(jìn)行直流濺射，共濺射制備得至IJ銅銦鎵砸預(yù)制層;共濺射的工藝條件為:本體真空度達(dá)到8X10—4Pa以下，派射過程中，革巴間距為保持為8 cm，氬氣流量為20 sccm，基底轉(zhuǎn)速為20 r/min，工作壓強(qiáng)為0.5Pa，共濺射時間為120 min，銅銦鎵砸靶的射頻濺射功率為110 W，銦靶直流濺射的功率為70 W;②將銅銦鎵砸預(yù)制層放入快速退火爐中，氮氣保護(hù)下90s內(nèi)升溫至250°C，然后采用固態(tài)砸源(砸粉)在250 °C下砸化20 min，然后在30s內(nèi)升溫至500°C，在500°C下二次砸化15 min，自然冷卻至室溫，即可得到CIGS薄膜太陽能電池吸收層。
[0012]步驟①中所用銅銦鎵砸靶的原子數(shù)比為Cu:1n: Ga: Se=1:0.7:0.3:2,銦靶的純度為99.99%。
[0013]將實施例1制備得到的CIGS薄膜太陽能電池吸收層上采用化學(xué)浴沉積法制備60nm厚的CdS緩沖層，再利用磁控濺射法依次濺射本征ZnO和ΙΤ0，最后采用真空蒸鍍法構(gòu)筑Ag電極，組配出完整的CIGS薄膜太陽能電池器件(這些方法都是現(xiàn)有技術(shù)，在此不再贅述)。
[0014]實施例1制備的銅銦鎵預(yù)制層的表面形貌圖如圖1所示，實施例1制備的銅銦鎵預(yù)制層的截面結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，由圖1 一 2可以看出，制備的Cu I nGa合金預(yù)制層表面結(jié)構(gòu)均勻有序;實施例1制備的CIGS薄膜太陽能電池吸收層的表面形貌圖如圖3所示，實施例1制備的CIGS薄膜太陽能電池吸收層的截面結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，由圖3 — 4可以看出，砸化處理后的CIGS薄膜太陽能電池吸收層的平面致密平整，從截面形貌可見微米級結(jié)晶良好的大晶粒存在;實施例1制成的完整光伏器件的光電轉(zhuǎn)換效率測試結(jié)果圖5，從圖5可以看出，J-V測試結(jié)果表明所制備的CIGS吸收層具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率，其效率高于10%。
[0015]實施例2
一種共濺射法制備CIGS薄膜太陽能電池吸收層的方法，包括以下步驟:①提供鍍鉬的鈉鈣玻璃基底，采用銅銦鎵砸靶進(jìn)行射頻濺射，同時采用銦靶進(jìn)行直流濺射，共濺射制備得至IJ銅銦鎵砸預(yù)制層;共濺射的工藝條件為:本體真空度達(dá)到7X10—4Pa以下，派射過程中，革巴間距為保持為8 cm，氬氣流量為20 sccm，基底轉(zhuǎn)速為20 r/min，工作壓強(qiáng)為0.5Pa，共濺射時間為120 min，銅銦鎵砸靶的射頻濺射功率為110 W，銦靶直流濺射的功率為70 W;②將銅銦鎵砸預(yù)制層放入快速退火爐中，氮氣保護(hù)下90s內(nèi)升溫至245°C，然后采用固態(tài)砸源(砸粉)在245 °C下砸化30 min，然后在20s內(nèi)升溫至545°C，在545°C下二次砸化20 min，自然冷卻至室溫，即可得到CIGS薄膜太陽能電池吸收層。
[0016]步驟①中所用銅銦鎵砸靶的原子數(shù)比為Cu:1n: Ga: Se=1:0.7:0.3:2,銦靶的純度為99.99%。
[0017]實施例3
一種共濺射法制備CIGS薄膜太陽能電池吸收層的方法，包括以下步驟:①提供鍍鉬的鈉鈣玻璃基底，采用銅銦鎵砸靶進(jìn)行射頻濺射，同時采用銦靶進(jìn)行直流濺射，共濺射制備得至IJ銅銦鎵砸預(yù)制層;共濺射的工藝條件為:本體真空度達(dá)到8X10—4Pa以下，派射過程中，革巴間距為保持為8 cm，氬氣流量為20 sccm，基底轉(zhuǎn)速為20 r/min，工作壓強(qiáng)為0.5Pa，共濺射時間為120 min，銅銦鎵砸靶的射頻濺射功率為110 W，銦靶直流濺射的功率為70 W;②將銅銦鎵砸預(yù)制層放入快速退火爐中，氮氣保護(hù)下90s內(nèi)升溫至255°C，然后采用固態(tài)砸源(砸粉)在255 °C下砸化30 min，然后在30s內(nèi)升溫至500°C，在500°C下二次砸化15 min，自然冷卻至室溫，即可得到CIGS薄膜太陽能電池吸收層。
[0018]步驟①中所用銅銦鎵砸靶的原子數(shù)比為Cu:1n: Ga: Se=1:0.7:0.3:2,銦靶的純度為99.99%。
【主權(quán)項】
1.一種共濺射法制備CIGS薄膜太陽能電池吸收層的方法，其特征在于，包括以下步驟:①提供基底，采用銅銦鎵砸靶進(jìn)行射頻濺射，同時采用銦靶進(jìn)行直流濺射，共濺射制備得到銅銦鎵砸預(yù)制層;共濺射的工藝條件為:本體真空度達(dá)到7?8 X 10—4Pa以下，工作壓強(qiáng)為0.5?0.6 Pa，共濺射時間為110-120 min，銅銦鎵砸靶的射頻濺射功率為110 W，銦靶直流濺射的功率為70 W;②將銅銦鎵砸預(yù)制層放入快速退火爐中，80?90s內(nèi)升溫至245?255°C，然后采用固態(tài)砸源在245?255°C下砸化20~30 min，然后在20?30s內(nèi)升溫至545?500°C，在545?500°C下二次砸化15?20 min，自然冷卻至室溫，即可得到CIGS薄膜太陽能電池吸收層。2.如權(quán)利要求2所述的共濺射法制備CIGS薄膜太陽能電池吸收層的方法，其特征在于:步驟①中所用銅銦鎵砸靶的原子數(shù)比為Cu:1n:Ga:Se=1:0.7:0.3:2,銦靶的純度為99.99%。3.如權(quán)利要求1所述的共濺射法制備CIGS薄膜太陽能電池吸收層的方法，其特征在于:步驟①中所用的基底為鍍鉬的鈉鈣玻璃基底。
【文檔編號】H01L31/18GK105870255SQ201610270066
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月27日
【發(fā)明人】杜祖亮, 程軻, 黃玉茜
【申請人】河南大學(xué)