銅銦鎵硒薄膜太陽電池吸收層的製備方法

2023-05-31 06:20:56

專利名稱：銅銦鎵硒薄膜太陽電池吸收層的製備方法
技術領域：
本發明屬於太陽能電池器件製備技術領域，特別是涉及一種銅銦鎵硒薄膜太陽電池吸收層的製備方法。
背景技術：
以黃銅礦結構的化合物半導體銅銦硒(CuInSe2,簡寫為CIS)系列混溶晶體為直接帶隙材料，以其作為吸收層的薄膜太陽電池，被認為是最有發展前景的第三代化合物光伏電池之一，其組成包括CuInSe2, CuIn1^xGaxSe2, CuInS2, CuIn1 — XGaxS2, CuIn1 — xGaxSe2 —ySy等。現有的銅銦鎵硒(硫)薄膜太陽電池，是在20世紀80年代後期開發出來的新型太陽電池，是在鈉鈣玻璃、金屬箔(不鏽鋼箔、鈦箔、鑰箔、鋁箔等)或聚醯亞胺膜襯底上分別沉積多層薄膜構成的光伏器件，典型結構為如下的多層膜結構襯底/底電極/吸收層/緩衝層 /窗口層/減反射膜/上電極。研究表明，吸收層銅銦鎵硒(硫)薄膜對電池性能起著決定性的作用。由於元素成分多、結構複雜，主要由Cu、In、Ga、Se或/和S四種或五種元素合成，是由多種相互固溶的化合物構成，光學吸收層中各元素的化學配比及其分布是決定電池性能的重要因素。在銅銦鎵硒薄膜太陽電池中，吸收層銅銦鎵硒/硫薄膜的製備方法主要分為兩類第一類方法是多元共蒸發法，即以Cu、In、Ga和Se為源在真空室中進行反應共蒸發，或將Cu + Se、In + Se、Ga + Se等二元分布共蒸發。共蒸發法要求每種元素的蒸發速率和在襯底上的沉積量都要求精確控制，才能得到均勻的薄膜，提高了電池的製作成本；第二類方法是金屬預製層後硒化法，即先在襯底上按配比沉積Cu、In、Ga層，再在Se氣氛中Se化，形成滿足配比要求的CuIrvxGaxSe2多晶薄膜，或用硫替代硒，進行硫化反應或先硒後硫分步法的化學熱處理，形成CuIrvxGaxS2或CuIrvxGaxSeyxS2薄膜。第二類方法由於其利於產業化等優點而受到廣泛關注，其中尤其以濺射後硒化方法應用最廣泛，其技術特點為採用單質或合金靶材濺射金屬預製膜Cu-In-Ga，而後採用硒化氫或固態硒源硒化，由於硒化氫劇毒而採用固態硒源則製備的吸收層薄膜的成分不易控制，使得製備的吸收層薄膜的性能低，造成製備的薄膜太陽電池性能低。

發明內容
本發明為解決背景技術中存在的技術問題而提供吸收層性能高，有利於提高薄膜太陽電池性能，並且製備過程簡便、過程可控、工藝重複性好的一種銅銦鎵硒薄膜太陽電池吸收層的製備方法。本發明採取的技術方案是銅銦鎵硒薄膜太陽電池吸收層的製備方法，其特點是包括以下製備步驟⑴採用CuIrvxGaxSe2化合物靶材，通過射頻磁控濺射法，在襯底的底電極上製備CuIrvxGaxSe2層；⑵對⑴中制有CuIrvxGaxSe2層的襯底進行退火處理，底電極上即得到CuIrvxGaxSe2吸收層。
本發明還可以採用如下技術方案所述的射頻磁控濺射法包括將制有底電極的襯底置入真空濺射設備，對設備抽真空為<3Xl(T3Pa、溫度達到200-500°C時，通入Ar氣，將黃銅礦相的CuIrvxGaxSe2 (X =
O.2-0. 4)化合物靶材在I. 0-5. Off/cm2的靶功率密度下對底電極進行射頻磁控濺射，底電極上得到厚度為O. 7-2. 5微米的CuIrvxGaxSe2層。所述退火處理包括將制有CuIrvxGaxSe2層的襯底置入真空退火爐中，襯底在真空或Ar氣氛中以20-50°C /min的速度升溫至350_590°C，保持溫度5_30min，自然降溫至室溫後，得到退火處理CuIrvxGaxSe2吸收層。本發明具有的優點和積極效果是本發明由於採用了 CuIrvxGaxSe2化合物靶材射頻磁控濺射法在底電極上製備CuIn1^xGaxSe2層，在濺射過程中即形成了 CuIrvxGaxSe2相，僅需要通過簡單的熱處理過程即 提聞了吸收層的結晶度，晶粒達到微米級，提聞了吸收層的性能，能夠有效提聞薄I旲太陽電池的性能，並且相比傳統的共蒸發工藝與金屬預製層濺射後硒化工藝，並且大大簡化了工藝過程，工藝重複性好，過程可控。
具體實施例方式為能進一步了解本發明的發明內容、特點及功效，茲例舉以下實施例，詳細說明如下銅銦鎵硒薄膜太陽電池吸收層的製備方法，其特點是包括以下製備步驟⑴採用CuIrvxGaxSe2化合物靶材，通過射頻磁控濺射法，在襯底的底電極上製備CuIrvxGaxSe2層；⑵對⑴中制有CuIrvxGaxSe2層的襯底進行退火處理，底電極上即得到CuIrvxGaxSe2吸收層；所述的射頻磁控濺射法包括將制有底電極的襯底置入真空濺射設備，對設備抽真空為〈3X10_3Pa、溫度達到200-500°C時，通入Ar氣，將黃銅礦相的CuIn1^xGaxSe2 (X =
O.2-0. 4)化合物靶材在I. 0-5. Off/cm2的靶功率密度下對底電極進行射頻磁控濺射，底電極上得到厚度為O. 7-2. 5微米的CuIrvxGaxSe2層；所述退火處理包括將制有CuIrvxGaxSe2層的襯底置入真空退火爐中，襯底在真空或Ar氣氛中以20-50°C /min的速度升溫至350-590°C，保持溫度5-30min，自然降溫至室溫後，得到退火處理後CuIrvxGaxSe2吸收層。實施例將制有底電極的襯底置入真空濺射設備，對設備抽真空為IPa、溫度達到350°C時，通入Ar氣，將Cu (In, Ga) Se2化合物靶材在2W/cm2的靶功率密度下對底電極進行射頻磁控濺射，底電極上得到厚度為I. 5微米的Cu(In，Ga)Se2層；而後將沉積有底電極Mo和Cu (In，Ga) Se2層的基片放入真空退火爐中，以30°C /min的速度升溫，襯底溫度達到400°C，保持溫度15min，自然降溫至室溫後，製得的晶粒微小至微米級Cu(In，Ga)Se2薄膜，即為本發明製備的銅銦鎵硒薄膜太陽電池吸收層。本發明的工藝原理本發明採用的是形成黃銅礦相的CuIrvxGaxSe2化合物祀材,而不是傳統的Cu-Ga或者Cu-In靶材不僅簡化了製備過程，而且降低了靶材的成本，提高了原材料利用率。在後續退火處理中，僅僅是一個退火過程，製得CuIrvxGaxSe2薄膜吸收層的晶粒微小到微米級，避免了傳統的硒化過程中需要嚴格控制Se源的溫度以及襯底等的升溫或降溫速度；本發明不僅有效提高了吸收層的性能，以期提高電池性能，而且大大簡化了工藝過程，工藝重複性好，過程可控。
儘管上面對本發明的優選實施例進行了描述，但是本發明並不局限於上述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，並不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的範圍情況下，還可以作出很多形式，這些均屬於本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.銅銦鎵硒薄膜太陽電池吸收層的製備方法，其特徵在於包括以下製備步驟⑴採用CuIrvxGaxSe2化合物靶材，通過射頻磁控濺射法，在襯底的底電極上製備CuIrvxGaxSe2層；⑵對⑴中制有CuIrvxGaxSe2層的襯底進行退火處理，底電極上即得到CuIrvxGaxSe2吸收層。
2.根據權利要求I所述銅銦鎵硒薄膜太陽電池吸收層的製備方法，其特徵在於所述的射頻磁控濺射法包括將制有底電極的襯底置入真空濺射設備，對設備抽真空為<3Xl(T3Pa、溫度達到 200-500°C時，通入 Ar 氣，將黃銅礦相的 CuIrvxGaxSe2 (X = O. 2-0. 4)化合物靶材在I. 0-5. Off/cm2的靶功率密度下對底電極進行射頻磁控濺射，底電極上得到厚度為 O. 7-2. 5 微米的 CuIrvxGaxSe2 層。
3.根據權利要求I或2所述銅銦鎵硒薄膜太陽電池吸收層的製備方法，其特徵在於所述退火處理包括將制有CuIrvxGaxSe2層的襯底置入真空退火爐中，襯底在真空或Ar氣氛中以20-50°C /min的速度升溫至350_590°C，保持溫度5_30min，自然降溫至室溫後，得到退火處理CuIrvxGaxSe2吸收層。
全文摘要
本發明涉及一種銅銦鎵硒薄膜太陽電池吸收層的製備方法，其特點是包括以下製備步驟⑴採用CuIn1-XGaXSe2化合物靶材，通過射頻磁控濺射法，在襯底的底電極上製備CuIn1-XGaXSe2層；⑵對⑴中制有CuIn1-XGaXSe2層的襯底進行退火處理，底電極上即得到CuIn1-XGaXSe2吸收層。本發明由於採用了射頻磁控濺射法和熱處理過程在襯底的底電極上製備吸收層，即提高了吸收層的結晶度，晶粒達到微米級，提高了吸收層的性能，從而能夠有效提高薄膜太陽電池的性能，並且大大簡化了工藝過程，工藝重複性好，過程可控。
文檔編號H01L31/18GK102943237SQ20121046494
公開日2013年2月27日 申請日期2012年11月16日 優先權日2012年11月16日
發明者李微 申請人:中國電子科技集團公司第十八研究所