[發(fā)明專利]太陽能電池銅銦鎵硒薄膜關(guān)鍵靶材及其制備方法

有效

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• 申請日: 2008-04-23
• 公開（公告）號: CN101260513A
• 公開（公告）日: 2008-09-10
• 發(fā)明（設計）人: 王東生;黃開盛;龍飛;李建軍;鄒正光
• 申請（專利權(quán)）人: 王東生
• 主分類號: C23C14/35
• 分類號: C23C14/35;C23C14/06
• 代理公司: 廣西南寧明智專利商標代理有限責任公司
• 代理人: 黎明天

技術(shù)領域

本發(fā)明涉及一種薄膜太陽能電池光電轉(zhuǎn)換材料銅銦鎵硒(CIGS)薄膜關(guān)鍵靶材及其制備方法。

背景技術(shù)

近年來，直接帶隙材料薄膜太陽電池的開發(fā)成為新的研究熱點。CuIn_(1-x)Ga_xSe₂(CIGS)薄膜電池因具有成本低(僅為晶體硅太陽電池的1/10)、轉(zhuǎn)換效率高(目前已達到19.3％)、穩(wěn)定性好等特點而與成為最有希望的薄膜光伏器件之一。

目前通常采用的CIGS薄膜制備工藝有共蒸發(fā)工藝-硒化工藝、分步磁控濺射-硒化工藝等，并獲得了較好的轉(zhuǎn)換效率。如：何青，孫云，李鳳巖等，效率為12.1％的Cu(In，Ga)Se₂薄膜太陽電池[J]，太陽能學報，2004(25)：782-784，提出利用共蒸發(fā)的三步法制備了較高質(zhì)量的四元化合物Cu(In，Ga)Se₂(CIGS)薄膜，并采用Mo/CIGS/CdS/ZnO結(jié)構(gòu)為基礎做出轉(zhuǎn)換效率超過10％的薄膜太陽電池，其最高轉(zhuǎn)換效率達到12.1％(測試條件為：AM1.5，Global?1000W/m²)。又如：方玲，張弓，莊大明等，Cu-In膜的相結(jié)構(gòu)對CuInSe₂薄膜性能的影響，清華大學學報(自然科學版)2004，44(8)：1096-1099，采用中頻交流分步磁控濺射方法沉積Cu-In薄膜，并采用固態(tài)硒化方法形成CIS薄膜。

然而，這些制備工藝由于工藝過程步驟較多且復雜，不利于薄膜的工藝控制。如目前采用的磁控濺射工藝是通過分層濺射Cu-Ga合金膜和In金屬膜，最后通過固態(tài)硒蒸氣硒化合金膜獲得CIGS薄膜。這種過程由于多種組分由不同的靶材提供，造成濺射工藝較為復雜。同時由于硒組分完全由后期硒化工藝提供，容易造成后期硒化過程中的薄膜質(zhì)量問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足與缺陷，提供一種磁控濺射一步沉積Cu(In，Ga)Se₂(CIGS)薄膜的關(guān)鍵靶材制備工藝。

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

以銅、銦、鎵、硒元素粉末為原料，采用固相合成制備CIGS粉，進而采用等靜壓成型，最后高溫燒結(jié)制備CIGS靶材。靶材以CuIn_(1-x)Ga_xSe₂為主相，其中Cu∶In∶Ga∶Se比例在1∶(0.6～1.2)∶(0.2～0.8)∶(1.8～2.5)之間。采用上述靶材通過現(xiàn)有常規(guī)磁控濺射工藝可以一步濺射成膜獲得CIGS薄膜。

具體制備工藝如下：

以Cu、In、Ga、Se粉為原料，并按摩爾比Cu∶In∶Ga∶Se＝1∶(0.6～1.2)∶(0.2～0.8)∶(1.8～2.5)的比例混合，將原料用無水乙醇充分潤濕，一般以無水乙醇浸沒Cu、In、Ga、Se粉為佳，采取濕法研磨介質(zhì)，在氬氣氣氛保護下以100～250r/min的轉(zhuǎn)速球磨12～24h，球磨后的原料經(jīng)干燥后進行固相合成，獲得CIGS粉體，再經(jīng)球磨、預成型、等靜壓成型后置入氬氣氣氛保護中進行高溫燒結(jié)，獲得CIGS靶材。

以上所述的固相合成是將球磨后的Cu、In、Ga、Se粉混合原料在氬氣氣氛保護下升溫至350～550℃，保溫1～4h，冷卻后獲得CIGS粉體。

以上所述的等靜壓成型是在150～300Mpa條件下進行。

以上所述的高溫燒結(jié)的過程是在500～850℃保溫2～4h。

本分發(fā)明的有益效果是：

1、成功的制備出CIGS關(guān)鍵靶材，將四元組分由“分步沉積-硒化”的工藝流程簡化為“一步沉積”。與現(xiàn)有磁控濺射工藝相比，本發(fā)明通過磁控濺射一步沉積的方法，解決了多次換靶重復沉積的復雜工藝過程，同時解決了后期硒化造成的質(zhì)量問題。采用CIGS靶材一步沉積CIGS薄膜，組分的調(diào)整通過靶材進行，后期的濺射工藝只需保證成膜的質(zhì)量，增加了工藝的可控性。

2、適合工業(yè)化生產(chǎn)，成本低，產(chǎn)品穩(wěn)定性好。

附圖說明

圖1為本發(fā)明制備工藝流程圖。

圖2為本發(fā)明制備的CIGS靶材XRD物相分析。所制備的CIGS靶材晶相為黃銅礦結(jié)構(gòu)的CIGS，物相純凈，未見其它二元相。

圖3為本發(fā)明制備的CIGS靶材SEM形貌分析。所制備的CIGS靶材微觀結(jié)構(gòu)致密，已在高溫中形成致密燒結(jié)體。圖中左邊是2000倍下的照片，右邊是8000倍下的照片。

圖4為本發(fā)明通過一步磁控濺射獲得的CIGS薄膜。可以看出銅銦鎵硒(CIGS)薄膜的結(jié)構(gòu)致密、均勻。