[發明專利]含Cu量分層變化的銅銦鎵硒薄膜的磁控濺射制備方法

無效

• 申請號: 201110348538.8
• 申請日: 2011-11-07
• 公開（公告）號: CN102412341A
• 公開（公告）日: 2012-04-11
• 發明（設計）人: 余洲;晏傳鵬;劉連;張勇;李珂;趙勇;劉斌
• 申請（專利權）人: 西南交通大學;成都欣源光伏科技有限公司
• 主分類號: H01L31/18
• 分類號: H01L31/18;C23C14/35
• 代理公司: 成都博通專利事務所 51208
• 代理人: 陳樹明

技術領域

本發明涉及含Cu量分層變化的銅銦鎵硒薄膜的磁控濺射制備方法。

背景技術

CuIn_1-xGa_xSe₂(CIGS)薄膜太陽能電池光電轉化效率高、性能穩定、抗輻射能力強，制造成本低，現今得到各國光伏產業界的重視，是最有前途的第二代太陽能電池。黃銅礦CIGS材料由四種元素組成，其組分偏離化學計量比在一定范圍內，材料都可保持結構和性能基本不變。研究表明，高效率CIGS電池對應的CIGS光吸收層薄膜的成分窗口為0.69＜Cu/(Ga+In)＜0.98，0.21＜Ga/(Ga+In)＜0.38[Philip?Jackson，Roland?Wurz，Uwe?Rau.et?al.Prog.Photovolt.Res.Appl.2007；15：507-519]；CIGS光吸收層薄膜整體略微貧銅，因富Cu薄膜(Cu/(Ga+In)＞1)中存在電阻率很低的Cu_xSe雜相，會形成CIGS電池的漏電通道，降低電池的開路電壓(Voc)。薄膜中Ga含量過高(Ga/(Ga+In)＞0.45)會生成大量缺陷，降低電池的性能。CIGS薄膜的生長機制受薄膜中Cu整體含量支配，在薄膜的沉積初期或沉積中期，薄膜需要整體富銅以形成低熔點的CuxSe促進原子遷移，獲得大晶粒尺寸的CIGS薄膜。而在CIGS薄膜沉積末期，需要減少Cu的沉積量以形成整體貧銅的結構。且貧Cu的表面能和CdS、ZnS等過渡層形成良好的異質結結構。

目前產業界制備CIGS光吸收層主要有共蒸發法和濺射金屬預制層后硒化法。NREL采用三步共蒸發法獲得CIGS電池的最高效率[轉換效率19.9％，電池面積0.42cm²，Ingrid?Repins，Miguel?A.Contreras，Brian?Egaas.et.al.Prog.Photovolt：Res.Appl.2008；16：235-239]，三步共蒸發法需要在高真空環境中分三步蒸發Cu、In、Ga、Se四種元素，制備過程如下：首先在低溫襯底上蒸發大部分In、Ga和Se，然后在550～580℃的高溫襯底蒸發Cu、Se，直到薄膜略微富Cu結束，最后保持襯底溫度蒸發剩余的In、Ga、Se，整個過程Se/金屬的流量比大于3。共蒸發法制備的薄膜表面光滑、晶粒緊湊、尺寸大。但該技術需在各個階段精確控制各元素的種類及其蒸發量及襯底溫度，用于大面積薄膜制備時，蒸發量不穩定和襯底溫度不均勻會造成薄膜成分不均勻，造成產品性能不穩定，合格率低。

濺射金屬預制層后硒化法采用濺射法制備Cu-In-Ga預制層，在含H₂Se或Se蒸氣的真空環境中高溫硒化獲得CIGS光吸收層薄膜，薄膜的成分通過精確控制金屬前驅膜中Cu、In、Ga的比例進行控制。后硒化法易于精確控制CIGS薄膜中各元素的化學計量比，保證成分的均勻分布，但硒化過程中預制層的硒化曲線對薄膜質量有很大影響，工藝不當會造成活潑金屬In和Se反應生成揮發相，使薄膜實際成分與名義成分差別很大。

現今Cu含量分層變化的CIGS薄膜的濺射制備方法為通過濺射不同成分的CIGS靶材獲得，即：沉積的CIGS薄膜，銅含量不同的各沉積層通過分別濺射富銅靶和貧銅靶獲得，此法在生產中至少要配備兩種靶材及兩個射頻電源、兩套控制系統，增加了靶材的消耗和設備的成本，也提高了工藝控制難度。

發明內容

本發明的目的在于提供一種含Cu量分層變化的銅銦鎵硒薄膜的磁控濺射制備方法，該法可以方便的制備出所需要的Cu含量分層變化的銅銦鎵硒薄膜，制備時只需一個靶材，制備方法簡單，對設備要求低，工藝穩定；且制備的薄膜各層的成分均勻性好，薄膜質量高。

本發明實現其發明目的所采用的技術方案是：一種含Cu量分層變化的銅銦鎵硒薄膜的磁控濺射制備方法，其做法是：將CuIn_0.7Ga_0.3Se₂靶材，交替進行低功率密度濺射和高功率密度濺射，交替次數至少為一次；每次交替中均先進行低功率密度濺射形成一層含Cu量高的沉積層，后進行高功率密度濺射形成含Cu量低的沉積層；最后在真空中熱處理形成含Cu量分層變化的CIGS光吸收層薄膜。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：