一种高质量CIGS薄膜太阳能电池吸收层的制备方法

摘要

本发明属于一种高质量CIGS薄膜太阳能电池吸收层的制备方法，包括以下步骤：①提供基底，利用铜铟镓合金靶，采用磁控溅射法在基底上形成铜铟镓合金预制层，铜铟镓合金靶的原子数为Cu:In:Ga=50:35:15；②将铜铟镓合金预制层放入快速退火炉中，35~40s内升温至545~555℃，然后采用固态硒源在545~555℃下硒化20~30 min，自然冷却至室温，即可得到CIGS薄膜太阳能电池吸收层。本发明采用特定比例的铜铟镓三元合金靶，解决了多步溅射的生产成本较高的问题，并避免了高毒、高污染H2Se气体的使用，通过严格的硒化工艺条件得到电池级高质量的CIGS薄膜太阳能电池吸收层材料。

权利要求

1.一种高质量CIGS薄膜太阳能电池吸收层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：①提供基底，利用铜铟镓合金靶，采用磁控溅射法在基底上形成铜铟镓合金预制层，铜铟镓合金靶的原子数为Cu:In:Ga=50:35:15；②将铜铟镓合金预制层放入快速退火炉中，35 40s内~升温至545 555℃，然后采用固态硒源在545 555℃下硒化20 30 min，自然冷却至室温，即~ ~ ~可得到CIGS薄膜太阳能电池吸收层；所述步骤①中磁控溅射法的工艺条件为：本底真空为4

5×10-4Pa，溅射功率为40W，磁控溅射Ar气压强为0.5 0.6Pa，Ar气流量为5sccm，每次溅射~ ~

20min，间隔10min，溅射总时间为100 min。

2.如权利要求1所述高质量CIGS薄膜太阳能电池吸收层的制备方法，其特征在于，步骤①中提供的基底为镀钼的钠钙玻璃基底。

说明书

一种高质量CIGS薄膜太阳能电池吸收层的制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于光电功能材料与能源领域，具体涉及一种高质量CIGS薄膜太阳能电池吸收层的制备方法。

背景技术

[0002] 近年来，光伏行业的发展趋势是薄膜太阳能电池，因为它具备重量轻、价格低、运输成本低等优势，便于大规模生产，应用潜力极大，被认为是大幅度降低光伏发电成本的必由之路。在诸多的薄膜光伏材料中，铜铟硒(CIS)/铜铟镓硒(CIGS)具有禁带宽度可调整范围大、光吸收率高、制造成本低、抗辐射能力强、转换效率高、电池性能稳定、无衰退性等优点，成为目前新一代太阳电池的主流产品之一，德国太阳能和氢能研究中心(ZSW)认为，CIGS 是太阳能电池材料体系中能够同时兼顾高效率和低成本的、最好的和最现实的体系，它是在CIS基础上发展起来相同体系的薄膜太阳能电池，通过适量的Ga取代In，成为CuIn1-xGaxSe2多晶固溶体，其禁带宽度可以通过改变In和Ga的比例来灵活地调整。

[0003] 通常情况下，CIGS吸收层制备方法划分为真空法和非真空法两大类，其中真空法主要以热蒸法和磁控溅射法为代表，就目前的研究而言，由ZSW所发展的三元共蒸镀法制备的CIGS薄膜太阳电池的效率最高，但是由于共蒸法对设备和工艺的要求极为严格，不易实现大规模和连续的生产。相对而言，磁控溅射法制备CIGS薄膜太阳电池容易实现大规模生产，通常的技术方案是采用多步、多靶的技术方案首先制备Cu-In-Ga的叠层预制层，而后通过硒化得到CIGS吸收层材料，多步溅射的方案增加了生产成本，并且后期硒化使用高毒的H2Se气体会造成环境污染。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种简单、方便、可大规模工业化生产的高质量CIGS薄膜太阳能电池吸收层的制备方法。

[0005] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种高质量CIGS薄膜太阳能电池吸收层的制备方法，包括以下步骤：①提供基底，利用铜铟镓合金靶，采用磁控溅射法在基底上形成铜铟镓合金预制层，铜铟镓合金靶的原子数为Cu:In:Ga=50:35:15；②将铜铟镓合金预制层放入快速退火炉中，35 40s内升温至545 555℃，然后采用固态硒源在545 555 ℃下~ ~ ~硒化20 30 min，自然冷却至室温，即可得到CIGS（铜铟镓硒）薄膜太阳能电池吸收层。
~

[0006] 所述步骤①中磁控溅射法的工艺条件为：本底真空为4 5×10-4Pa，溅射功率为~40W，磁控溅射气体压强为0.5 0.6 Pa，溅射时间为90 100 min。
~ ~

[0007] 优选的，步骤①中提供的基底为镀钼的钠钙玻璃基底。

[0008] 本发明产生的有益效果是：本发明采用特定比例的铜铟镓三元合金靶，解决了多步溅射的生产成本较高的问题；采用固体硒源（硒粉），在快速退火炉中进行快速退火硒化处理，此工艺条件避免了高毒、高污染H2Se气体的使用，通过严格的硒化工艺条件，如升温时间、保温时间等来调节硒化后CIGS吸收层的组分、硒化完全度和结晶度，从而得到电池级高质量的CIGS薄膜太阳能电池吸收层材料。

附图说明

[0009] 图1为实施例1制备的铜铟镓合金预制层的表面形貌图，表面均匀平整；

[0010] 图2为实施例1制备的铜铟镓合金预制层的截面结构图，厚度较为均一；

[0011] 图3为实施例1制备的CIGS薄膜太阳能电池吸收层的表面形貌图，表面平整致密；

[0012] 图4为实施例1制备的CIGS薄膜太阳能电池吸收层的截面结构图，具有良好的结晶性；

[0013] 图5为实施例1制备的CIGS薄膜太阳能电池吸收层的吸收光谱图；

[0014] 图6为实施例1制备的CIGS薄膜太阳能电池吸收层的拉曼光谱图；

[0015] 图7为实施例1制备的CIGS薄膜太阳能电池吸收层的XRD图；

[0016] 图8为实施例1制成的完整光伏器件的截面形貌图；

[0017] 图9为实施例1制成的完整光伏器件的光电转换效率测试结果图。

具体实施方式

[0018] 下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围不限于此。

[0019] 实施例1

[0020] 一种高质量CIGS薄膜太阳能电池吸收层的制备方法，包括以下步骤：①提供镀钼的钠钙玻璃基底，利用铜铟镓合金靶，采用磁控溅射法在基底上形成铜铟镓合金预制层，铜铟镓合金靶的原子数为Cu:In:Ga=50:35:15；②将铜铟镓合金预制层放入快速退火炉中，40s内升温至550℃，然后采用固态硒源（硒粉）在550℃下硒化30 min，自然冷却至室温，即可得到CIGS（铜铟镓硒）薄膜太阳能电池吸收层，制备的CIGS薄膜太阳能电池吸收层的原子数比为Cu:In:Ga:Se=19.54:19.50:2.18:58.78 。

[0021] 所述步骤①中磁控溅射法的工艺条件为：本底真空为4×10-4Pa，溅射功率为40W，Ar气流量为5 sccm，磁控溅射气体（Ar气）压强为0.5 Pa，溅射总时间为100 min（每次溅射20分钟，间隔10分钟，以避免靶材和靶枪过热，重复此步骤共5次）。

[0022] 将实施例1制备得到的CIGS薄膜太阳能电池吸收层上采用化学浴沉积法制备60 nm厚的CdS缓冲层，再利用磁控溅射法依次溅射本征ZnO和ITO，最后采用真空蒸镀法构筑Ag电极，组配出完整的CIGS薄膜太阳能电池器件（这些方法都是现有技术，在此不再赘述）。

[0023]  实施例1制备的铜铟镓合金预制层的表面形貌图如图1所示，实施例1制备的铜铟镓合金预制层的截面结构图如图2所示，由图1－2可以看出，制备的CuInGa合金预制层表面结构均匀有序，截面可见柱状结构紧密排列；实施例1制备的CIGS薄膜太阳能电池吸收层的表面形貌图如图3所示，实施例1制备的CIGS薄膜太阳能电池吸收层的截面结构图如图4所示，由图3－4可以看出，硒化处理后的CIGS薄膜太阳能电池吸收层的平面致密平整，从截面形貌可见微米级结晶良好的大晶粒存在；实施例1制备的CIGS薄膜太阳能电池吸收层的吸收光谱图如图5所示，由图5可以看出，CIGS薄膜太阳能电池吸收层在整个可见光区和近红外区具有较好的吸收特性；实施例1制备的CIGS薄膜太阳能电池吸收层的拉曼光谱图如图6所示，从图6可以看出，CIGS薄膜太阳能电池吸收层无其他杂相存在；实施例1制备的CIGS薄膜太阳能电池吸收层的XRD图如图7所示，从图7可以看出，CIGS薄膜太阳能电池吸收层为黄铜矿结构；图9为实施例1制成的完整光伏器件的J-V测试结果图，从图9可以看出，实施例1制备的CIGS薄膜太阳能电池吸收层具有较高的光电转换效率，其效率高于10%。

[0024] 实施例2

[0025]  一种高质量CIGS薄膜太阳能电池吸收层的制备方法，包括以下步骤：①提供镀钼的钠钙玻璃基底，利用铜铟镓合金靶，采用磁控溅射法在基底上形成铜铟镓合金预制层，铜铟镓合金靶的原子数为Cu:In:Ga=50:35:15；②将铜铟镓合金预制层放入快速退火炉中，35s内升温至555℃，然后采用固态硒源（硒粉）在555℃下硒化20 min，自然冷却至室温，即可得到CIGS（铜铟镓硒）薄膜太阳能电池吸收层。

[0026] 所述步骤①中磁控溅射法的工艺条件为：本底真空为5×10-4Pa，溅射功率为40W，Ar气流量为5 sccm，磁控溅射气体压强为0.5 Pa，溅射时间为100 min（每次溅射20分钟，间隔10分钟，以避免靶材和靶枪过热，重复此步骤共5次）。

[0027] 实施例3

[0028]  一种高质量CIGS薄膜太阳能电池吸收层的制备方法，包括以下步骤：①提供镀钼的钠钙玻璃基底，利用铜铟镓合金靶，采用磁控溅射法在基底上形成铜铟镓合金预制层，铜铟镓合金靶的原子数为Cu:In:Ga=50:35:15；②将铜铟镓合金预制层放入快速退火炉中， 40s内升温至545℃，然后采用固态硒源（硒粉）在545℃下硒化30 min，自然冷却至室温，即可得到CIGS（铜铟镓硒）薄膜太阳能电池吸收层。

[0029] 所述步骤①中磁控溅射法的工艺条件为：本底真空为4×10-4Pa，溅射功率为40W，Ar气流量为5 sccm，磁控溅射气体压强为0.5 Pa，溅射时间为100 min（每次溅射20分钟，间隔10分钟，以避免靶材和靶枪过热，重复此步骤共5次）。