[发明专利]含Cu量分层变化的铜铟镓硒薄膜的磁控溅射制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及含Cu量分层变化的铜铟镓硒薄膜的磁控溅射制备方法。

背景技术

CuIn_1-xGa_xSe₂(CIGS)薄膜太阳能电池光电转化效率高、性能稳定、抗辐射能力强，制造成本低，现今得到各国光伏产业界的重视，是最有前途的第二代太阳能电池。黄铜矿CIGS材料由四种元素组成，其组分偏离化学计量比在一定范围内，材料都可保持结构和性能基本不变。研究表明，高效率CIGS电池对应的CIGS光吸收层薄膜的成分窗口为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光吸收层薄膜整体略微贫铜，因富Cu薄膜(Cu/(Ga+In)＞1)中存在电阻率很低的Cu_xSe杂相，会形成CIGS电池的漏电通道，降低电池的开路电压(Voc)。薄膜中Ga含量过高(Ga/(Ga+In)＞0.45)会生成大量缺陷，降低电池的性能。CIGS薄膜的生长机制受薄膜中Cu整体含量支配，在薄膜的沉积初期或沉积中期，薄膜需要整体富铜以形成低熔点的CuxSe促进原子迁移，获得大晶粒尺寸的CIGS薄膜。而在CIGS薄膜沉积末期，需要减少Cu的沉积量以形成整体贫铜的结构。且贫Cu的表面能和CdS、ZnS等过渡层形成良好的异质结结构。

目前产业界制备CIGS光吸收层主要有共蒸发法和溅射金属预制层后硒化法。NREL采用三步共蒸发法获得CIGS电池的最高效率[转换效率19.9％，电池面积0.42cm²，Ingrid Repins，Miguel A.Contreras，Brian Egaas.et.al.Prog.Photovolt：Res.Appl.2008；16：235-239]，三步共蒸发法需要在高真空环境中分三步蒸发Cu、In、Ga、Se四种元素，制备过程如下：首先在低温衬底上蒸发大部分In、Ga和Se，然后在550～580℃的高温衬底蒸发Cu、Se，直到薄膜略微富Cu结束，最后保持衬底温度蒸发剩余的In、Ga、Se，整个过程Se/金属的流量比大于3。共蒸发法制备的薄膜表面光滑、晶粒紧凑、尺寸大。但该技术需在各个阶段精确控制各元素的种类及其蒸发量及衬底温度，用于大面积薄膜制备时，蒸发量不稳定和衬底温度不均匀会造成薄膜成分不均匀，造成产品性能不稳定，合格率低。

溅射金属预制层后硒化法采用溅射法制备Cu-In-Ga预制层，在含H₂Se或Se蒸气的真空环境中高温硒化获得CIGS光吸收层薄膜，薄膜的成分通过精确控制金属前驱膜中Cu、In、Ga的比例进行控制。后硒化法易于精确控制CIGS薄膜中各元素的化学计量比，保证成分的均匀分布，但硒化过程中预制层的硒化曲线对薄膜质量有很大影响，工艺不当会造成活泼金属In和Se反应生成挥发相，使薄膜实际成分与名义成分差别很大。

现今Cu含量分层变化的CIGS薄膜的溅射制备方法为通过溅射不同成分的CIGS靶材获得，即：沉积的CIGS薄膜，铜含量不同的各沉积层通过分别溅射富铜靶和贫铜靶获得，此法在生产中至少要配备两种靶材及两个射频电源、两套控制系统，增加了靶材的消耗和设备的成本，也提高了工艺控制难度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含Cu量分层变化的铜铟镓硒薄膜的磁控溅射制备方法，该法可以方便的制备出所需要的Cu含量分层变化的铜铟镓硒薄膜，制备时只需一个靶材，制备方法简单，对设备要求低，工艺稳定；且制备的薄膜各层的成分均匀性好，薄膜质量高。

本发明实现其发明目的所采用的技术方案是：一种含Cu量分层变化的铜铟镓硒薄膜的磁控溅射制备方法，其做法是：将CuIn_0.7Ga_0.3Se₂靶材，交替进行低功率密度溅射和高功率密度溅射，交替次数至少为一次；每次交替中均先进行低功率密度溅射形成一层含Cu量高的沉积层，后进行高功率密度溅射形成含Cu量低的沉积层；最后在真空中热处理形成含Cu量分层变化的CIGS光吸收层薄膜。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：