[發(fā)明專利]一種CIGS粉末、靶材、薄膜及其制備方法

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200910304873.0
• 申請(qǐng)日: 2009-07-27
• 公開（公告）號(hào): CN101613091A
• 公開（公告）日: 2009-12-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周繼承;鞏小亮;黃迪輝
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號(hào): C01B19/00
• 分類號(hào): C01B19/00;C23C14/34;C23C14/06
• 代理公司: 長沙市融智專利事務(wù)所
• 代理人: 顏 勇

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種CIGS粉末、靶材、薄膜及其制備方法，應(yīng)用于CIGS(銅銦鎵硒)薄膜太陽能電池吸收層。

背景技術(shù)

太陽能電池需要具備高效、低成本、耐久等特點(diǎn)，CIGS薄膜太陽能電池以其廉價(jià)、高效(最高轉(zhuǎn)換效率19.5％)、性能穩(wěn)定而成為最具潛力的新型太陽電池。其中，CIGS吸收層薄膜是影響電池光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵因素。CIGS的組成可表示成CuIn_xGa_1-x?Se₂的形式，具有黃銅礦相結(jié)構(gòu)，是CuInSe₂和CuGaSe₂的混晶半導(dǎo)體。CuInSe₂的帶隙為1.04eV，CuGaSe₂的帶隙為1.68eV，并且都是直接帶隙半導(dǎo)體材料，對(duì)太陽光的吸收系數(shù)高達(dá)10⁵cm^-1。CIGS薄膜的最大優(yōu)點(diǎn)是可以通過調(diào)整Ga的含量改變薄膜的禁帶寬度，使其達(dá)到1.4～1.6eV的最佳太陽能光電轉(zhuǎn)換利用值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽光的最佳吸收。

制備CIGS光電轉(zhuǎn)換薄膜有多種方法，包括真空技術(shù)和非真空技術(shù)。目前，真空技術(shù)中較為主流的工藝為多源共蒸發(fā)法和濺射后硒化法。多源共蒸發(fā)是指在真空腔中，高純的Cu、In、Ga、Se由獨(dú)立的蒸發(fā)源進(jìn)行蒸發(fā)、反應(yīng)沉積至襯底上。此種方法沉積的薄膜質(zhì)量較好、組件效率高；但設(shè)備復(fù)雜、成本較高，蒸發(fā)過程中各元素沉積速率不容易控制，大面積生產(chǎn)均勻性不好，且產(chǎn)能低。濺射后硒化法是在襯底上預(yù)先沉積CuInGa金屬預(yù)置層，然后在Se蒸氣或者H₂Se氣氛中使其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，最終獲得CIGS薄膜。金屬預(yù)制層制備有多種方法，比如有Cu、In、Ga元素靶共濺射；蒸發(fā)Cu、In、Ga；另外還有Cu、In元素靶共濺射后，再蒸發(fā)Ga。濺射后硒化法應(yīng)用較多，但工藝比較繁瑣，控制相對(duì)復(fù)雜，且原材料利用率不高，另外H₂Se氣體的劇毒性也限制了其應(yīng)用。非真空技術(shù)主要有電化學(xué)沉積、絲網(wǎng)印刷、噴涂熱解等方法，其成本低，但要得到符合元素化學(xué)計(jì)量比的CIGS薄膜比較困難并且容易出現(xiàn)二元或一元多相結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率較低。

上述現(xiàn)有技術(shù)并不適合于大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，開發(fā)更加快速、簡單、低成本、高效率的CIGS吸收層制備工藝乃是CIGS薄膜太陽能電池的發(fā)展方向。鑒于磁控濺射技術(shù)和設(shè)備應(yīng)用成熟，工藝易于控制，能夠大面積均勻成膜，若開發(fā)出CIGS合金靶材，并利用磁控濺射一步沉積CIGS薄膜，將極大地提高CIGS薄膜太陽能電池的生產(chǎn)效率和CIGS薄膜太陽能電池的質(zhì)量和可靠性，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，減少設(shè)備投資。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種CIGS粉末、靶材、薄膜及其制備方法，以分析純[為專用術(shù)語]的Cu、In、Ga、Se化合物和有機(jī)溶劑為原料，經(jīng)濕法化學(xué)方法制得GIGS粉末，將粉末采用冷等靜壓或模壓成型后在保護(hù)氣氛中燒結(jié)制成靶材。靶材相對(duì)密度大于95％，成分均勻，具有均一的CuIn_xGa_1-xSe₂相，性能穩(wěn)定。采用上述靶材通過直流磁控濺射或射頻磁控濺射一步沉積CIGS薄膜，該薄膜經(jīng)熱處理后成分為單一黃銅礦相結(jié)構(gòu)的CuIn_xGa_1-xSe₂，性能優(yōu)越。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種CIGS粉末，其特征在于，所述的CIGS粉末為純CuIn_xGa_1-x?Se₂相，其中0＜x＜1。

上述CIGS粉末的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)制備CuIn_xGa_1-xSe₂沉淀物：

方法A：選用Cu、In、Ga的氯化物或碘化物和Na₂Se按分子式CuIn_xGa_1-xSe₂中的摩爾比稱取原料并溶于有機(jī)溶劑中，其中0＜x＜1；有機(jī)溶劑為甲醇、甲苯或吡啶；將混合溶液在抽真空后或在保護(hù)氣氛環(huán)境下置于冰浴中控制溫度為0℃進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)中攪拌；反應(yīng)產(chǎn)物為CuIn_xGa_1-xSe₂沉淀物和Na鹽；