[發(fā)明專利]一種銅銦鎵硫硒薄膜材料的制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510420561.1
• 申請日: 2015-07-16
• 公開（公告）號: CN105118877B
• 公開（公告）日: 2017-08-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉芳洋;高春暉;蔣良興;趙聯(lián)波;曾芳琴
• 申請（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號: H01L31/032
• 分類號: H01L31/032;C23C14/06;C23C14/34
• 代理公司: 長沙市融智專利事務(wù)所43114
• 代理人: 顏勇

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種銅銦鎵硫硒薄膜材料的制備方法，屬于新能源材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

環(huán)境污染和能源危機是現(xiàn)代社會面臨的主要問題，開發(fā)新能源無疑成為未來研究的重點，太陽能是一種取之不盡、用之不竭的清潔能源，因而成為研究的熱點。而太陽電池是太陽能利用的主要形式，目前應(yīng)用的太陽電池中，化合物薄膜太陽能電池以其較低的成本和較高的理論光電轉(zhuǎn)化效率，成為目前研究和產(chǎn)業(yè)的熱點。其中，I-III-VI₂族的銅銦鎵硫硒(CIGSSe)基薄膜太陽電池經(jīng)過幾十年的發(fā)展現(xiàn)已基本實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，是最有發(fā)展前景的太陽電池之一。

CIGSSe基薄膜太陽電池轉(zhuǎn)換效率高，沒有光衰退現(xiàn)象(SWE)，作為電池核心的薄膜材料銅銦鎵硫硒是直接帶隙半導(dǎo)體材料，可以通過In/Ga及S/Se的比例不同來控制帶隙。薄膜材料銅銦鎵硫硒的制備，現(xiàn)階段已經(jīng)實現(xiàn)大面積生產(chǎn)的主要是濺射金屬層硒化法和共蒸發(fā)法。

共蒸發(fā)法是用材料的各個元素源在真空下共同蒸發(fā)制得薄膜的一種方法，其特點是薄膜材料的晶相結(jié)構(gòu)較好，但是大面積沉積均勻性較差，薄膜的化學(xué)配比不易控制。濺射金屬層硒化法一般是先在基底上通過磁控濺射制備金屬預(yù)制層(一般不含Se/S)，然后再經(jīng)過后續(xù)高溫硒/硫化處理得到銅銦鎵硫硒薄膜材料，因濺射法大面積沉積薄膜均勻性好、工藝簡單穩(wěn)定以及重復(fù)性好，可以實現(xiàn)薄膜成分的精確控制，已在工業(yè)生產(chǎn)中大規(guī)模使用。但是金屬預(yù)制層在后硒化退火過程中，一方面由于硒和金屬層的劇烈反應(yīng)過程中元素的大量擴散和遷移，易導(dǎo)致非黃銅礦的其它雜相的生成；另一方面由于硒元素的大量并入，會引起相對較大的體積膨脹，薄膜厚度增大2-3倍，容易造成薄膜厚度不均勻、表面粗糙不平整，甚至引起薄膜開裂或者脫落等現(xiàn)象，從而影響薄膜性能，降低太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

目前制備銅銦鎵硫硒主要有兩種工藝路線，一是先制備金屬預(yù)制層，然后進行硒化和硫化退火實現(xiàn)硒元素和硫元素的并入，這種方法工藝流程長，要進行兩次退火機制的控制，對于成分、形貌及結(jié)晶性能的影響較大且較難調(diào)控，而且在進行金屬預(yù)制層的退火過程中，由于要進行原子摻入，薄膜的體積膨脹較大，會影響與太陽電池基底的附著性，在后期制備電池的過程中容易出現(xiàn)掉膜、脫落等現(xiàn)象。另一種是先制備出預(yù)制層銅銦鎵硒，在通過硫化退火的方式實現(xiàn)硫元素的摻入，這種方法雖然可以實現(xiàn)一步退火制得銅銦鎵硫硒，但是由于硒原子半徑較硫原子半徑大，在硫原子取代硒原子的過程中會出現(xiàn)較多的縫隙和孔洞，造成薄膜表面缺陷過多，影響材料性能，而且硫的活性較大，在高溫下其摻入量難以控制。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中制備銅銦鎵硫硒薄膜材料存在的成分不易控制、均勻性欠佳及易產(chǎn)生不利雜相等問題，提供一種銅銦鎵硫硒薄膜材料的制備方法。

本發(fā)明一種銅銦鎵硫硒薄膜材料的制備方法，其制備方案為：在基底上先制備Cu(In_xGa_1-x)_aS_b預(yù)制層，然后進行硒化退火，得到Cu(In_xGa_1-x)_a(S_ySe_1-y)_b薄膜材料；其中a的取值范圍是1.0＜a＜1.5，b的取值范圍是2.0＜b＜3.0；x的取值范圍是0＜x＜1，y的取值范圍是0＜y＜1。

本發(fā)明一種銅銦鎵硫硒薄膜材料的制備方法，所述基底為太陽電池底電極。其材質(zhì)為鈉鈣導(dǎo)電玻璃、FTO導(dǎo)電玻璃、ITO導(dǎo)電玻璃、不銹鋼襯底、銅箔、鈦片、搪瓷鋼片、聚酰亞胺(PI)襯底等。

本發(fā)明一種銅銦鎵硫硒薄膜材料的制備方法，在太陽能電池基底上制備Cu(In_xGa_1-x)_aS_b預(yù)制層時，采用的是反應(yīng)濺射；

反應(yīng)濺射所用銅源選自Cu靶、CuGa靶、CuIn靶、CuS靶、CuInGa靶、CuInS₂靶、CuGaS₂靶、CuInGaS₂靶中的至少一種；

反應(yīng)濺射所用銦源選自In靶、CuIn靶、In₂S₃靶、CuInGa靶、CuInS₂靶、CuInGaS₂靶中的至少一種；

反應(yīng)濺射所用鎵源選自CuGa靶、CuInGa靶、CuGaS₂靶、CuInGaS₂靶中的至少一種；