[发明专利]一种CIGS粉末、靶材、薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种CIGS粉末、靶材、薄膜及其制备方法，应用于CIGS(铜铟镓硒)薄膜太阳能电池吸收层。

背景技术

太阳能电池需要具备高效、低成本、耐久等特点，CIGS薄膜太阳能电池以其廉价、高效(最高转换效率19.5％)、性能稳定而成为最具潜力的新型太阳电池。其中，CIGS吸收层薄膜是影响电池光电转换效率的关键因素。CIGS的组成可表示成CuIn_xGa_1-x Se₂的形式，具有黄铜矿相结构，是CuInSe₂和CuGaSe₂的混晶半导体。CuInSe₂的带隙为1.04eV，CuGaSe₂的带隙为1.68eV，并且都是直接带隙半导体材料，对太阳光的吸收系数高达10⁵cm^-1。CIGS薄膜的最大优点是可以通过调整Ga的含量改变薄膜的禁带宽度，使其达到1.4～1.6eV的最佳太阳能光电转换利用值，从而实现对太阳光的最佳吸收。

制备CIGS光电转换薄膜有多种方法，包括真空技术和非真空技术。目前，真空技术中较为主流的工艺为多源共蒸发法和溅射后硒化法。多源共蒸发是指在真空腔中，高纯的Cu、In、Ga、Se由独立的蒸发源进行蒸发、反应沉积至衬底上。此种方法沉积的薄膜质量较好、组件效率高；但设备复杂、成本较高，蒸发过程中各元素沉积速率不容易控制，大面积生产均匀性不好，且产能低。溅射后硒化法是在衬底上预先沉积CuInGa金属预置层，然后在Se蒸气或者H₂Se气氛中使其发生化学反应，最终获得CIGS薄膜。金属预制层制备有多种方法，比如有Cu、In、Ga元素靶共溅射；蒸发Cu、In、Ga；另外还有Cu、In元素靶共溅射后，再蒸发Ga。溅射后硒化法应用较多，但工艺比较繁琐，控制相对复杂，且原材料利用率不高，另外H₂Se气体的剧毒性也限制了其应用。非真空技术主要有电化学沉积、丝网印刷、喷涂热解等方法，其成本低，但要得到符合元素化学计量比的CIGS薄膜比较困难并且容易出现二元或一元多相结构，导致太阳能电池光电转换效率较低。

上述现有技术并不适合于大规模产业化，开发更加快速、简单、低成本、高效率的CIGS吸收层制备工艺乃是CIGS薄膜太阳能电池的发展方向。鉴于磁控溅射技术和设备应用成熟，工艺易于控制，能够大面积均匀成膜，若开发出CIGS合金靶材，并利用磁控溅射一步沉积CIGS薄膜，将极大地提高CIGS薄膜太阳能电池的生产效率和CIGS薄膜太阳能电池的质量和可靠性，优化生产工艺，减少设备投资。

发明内容

本发明的目的是提供一种CIGS粉末、靶材、薄膜及其制备方法，以分析纯[为专用术语]的Cu、In、Ga、Se化合物和有机溶剂为原料，经湿法化学方法制得GIGS粉末，将粉末采用冷等静压或模压成型后在保护气氛中烧结制成靶材。靶材相对密度大于95％，成分均匀，具有均一的CuIn_xGa_1-xSe₂相，性能稳定。采用上述靶材通过直流磁控溅射或射频磁控溅射一步沉积CIGS薄膜，该薄膜经热处理后成分为单一黄铜矿相结构的CuIn_xGa_1-xSe₂，性能优越。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种CIGS粉末，其特征在于，所述的CIGS粉末为纯CuIn_xGa_1-x Se₂相，其中0＜x＜1。

上述CIGS粉末的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)制备CuIn_xGa_1-xSe₂沉淀物：

方法A：选用Cu、In、Ga的氯化物或碘化物和Na₂Se按分子式CuIn_xGa_1-xSe₂中的摩尔比称取原料并溶于有机溶剂中，其中0＜x＜1；有机溶剂为甲醇、甲苯或吡啶；将混合溶液在抽真空后或在保护气氛环境下置于冰浴中控制温度为0℃进行反应，反应中搅拌；反应产物为CuIn_xGa_1-xSe₂沉淀物和Na盐；