一种三元化合物太阳能电池薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术涉及太阳能电池薄膜，特指一种三元化合物太阳能电池薄膜及其制备方法。本发明专利技术是利用磁控溅射技术，在衬底上制备一种带隙在1.4eV~1.6eV可调、光吸收系数高于105cm-1的新型三元化合物薄膜材料，是适合于研制太阳能薄膜电池的新型材料，本发明专利技术包括三靶汇聚共溅射技术和微薄层分层溅射复合技术，还包括溅射薄膜太阳能电池的后退火处理技术、多晶薄膜结构的XRD主峰位确定、薄膜组分和价态的测定、薄膜的FTIR和UVS带隙、吸收测定方法。

Three element compound solar cell film and preparation method thereof

The invention relates to a solar cell film, in particular to a three element compound solar cell film and a preparation method thereof. The present invention is prepared by magnetron sputtering technique, a tunable band gap and optical absorption coefficient is higher than that of 105cm-1 in the new 1.4eV~1.6eV three element compound film material on the substrate, is a new material suitable for the development of thin film solar cell, the invention includes three target sputtering technique and low convergence layer sputtering deposition technique. After annealing technology, including sputtering thin film solar cell polycrystalline thin film structure of XRD peak, FTIR and UVS, determination of film band gap, film composition and valence absorption determination method.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及太阳能电池薄膜，特指一种带隙在1. 4eV^l. 6eV可调的三元化合物太阳能电池薄膜及其制备方法。
技术介绍
近年来，一种三元化合物，铜铟硒(CIS )薄膜太阳能电池倍受瞩目，原因是它不但有最佳的光学能隙、吸收率高，有较高的光电转换效率(14% 16%)，而且，抗辐射能力强，无疲劳，有长期的工作稳定性，被国际上称为最有希望获得大规模应用的太阳能电池之一。CIS薄膜的一个重要特性是其能隙可通过镓(Ga)和铝(Al)部分取代铟(In)，或用硫(S)部分取代硒(Se)来进行调节，因而也相应地发展出铜铟镓硒(Cu (In5Ga)Se2, CIGS)、铜铟镓硒硫(Cu (In, Ga ) (Se，S) 2，CIGSS)和铜铟铝硒硫(Cu (In，Al) (Se, S) 2, CIASS)等体系，其中CIGS体系光伏性能最优，美国可再生能源实验室制备的小面积CIGS 薄膜电池的最高转换效率达到19.2%。大面积组件转换效率也达到了 15%。目前，国内外达到高转换效率的CIS薄膜电池，一般都是采用多元素共蒸发法制备CIS薄膜，但该方法的重复性不好，且难以保证大面积薄膜成分的均勻性；还有用一步电沉积法制备CIS薄膜的报道，但清华大学先进材料教育部重点实验室的研究表明，电沉积法难以控制CIS薄膜的成分满足化学当量，电池的转换效率也难以有很大提高；溅射合金层硒化法是另一种制备CIS薄膜的方法，美国Siemens Solar公司使用该法得到的硒化合金层，制成了转化效率为14. 1%的小面积太阳电池，Schmitt等人采用射频溅射法直接制备CIS薄膜，得到了成分基本符合化学当量，结构为单一的黄铜矿相的CIS薄膜，还可以在真空室内不破坏真空的条件下，在钠碱玻璃基底上，分别采用射频、直流溅射和蒸发法依次沉积Mo、CIS、Zn0、MgF2和金属栅极等多种薄膜，一次完成CIS薄膜电池元器件的制备。申请人:注意到硅和硒都是太阳能电池的优选材料，CuInSe2 (CIS)是一种三元 I -III-VI 2族化合物半导体，而同样纯度的硒的价格是硅的10倍以上，硒又是一种剧毒元素，以Si取代％，探索一种新的、廉价的、稳定的I -III-IV族化合物半导体铜铟硅 (CuIn2Si2)太阳能电池薄膜材料。本专利技术用磁控溅射沉积方法制备铜铟硅(Cuh2Si2)薄膜，分别采用铜铟硅三靶汇聚共溅射法和铜、铟、硅多薄层溅射复合法制备了铜铟硅化合物薄膜，溅射时，三个靶的溅射功率能独立调节，实现三种元素要求的配比，最后，退火合成三元化合物，两种方法都可以在真空室内不破坏真空环境的条件下，实现各种元素的不同组分的均勻复合，微调薄膜组分可以方便有效地在1. ri. 6eV左右调节三元化合物半导体多晶薄膜的能带间隙。 J. Abushanmaj S. Johnston, S. Ward and X. Wuj Improved peformence in CuInSe2 and Surface-modified CuGaSe2 solar cell, MRE/cp， 520， 2005 Lincotj et al. Chalcopyrite thin film solar cells by electrodeposition. Solar Energy. 77(2004):725-737L. Zhang, F.D.Jiang and J. Y. Feng. Formation of CuInSe2 and Cu (In, Ga) Se2 films by electrodeposition and vacuum annealing treatment. Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 80(2003) :483-490J. Miiller, J. Nowoczin and H. Schmitt, Composition, structure and optical properties of sputtered thin films of CuInSe2Thin Solid Films, 496 (2006) 364-370。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种新的、廉价的、稳定的I -III-IV族化合物多晶半导体 (CuIn2Si2)太阳能电池薄膜材料的磁控溅射制备方法，该方法包含三靶汇聚复合与微薄层分层复合两种技术。本专利技术的技术方案是用磁控溅射技术制备铜铟硅薄膜，包括在不同保护气氛、不同温度和时间的后退火处理技术，直接在介质、半导体等衬底上形成铜铟硅(Cuh2Si2W^ 膜。本专利技术制备的三元多晶半导体化合物太阳能电池薄膜的带隙和吸收系数通过 FIlR和UVS分析测定，两种方法所制备的铜铟硅薄膜的光吸收系数均大于IO5 cm S带隙可以在1.4 1.47eV调节。本专利技术确定了用X射线衍射技术确定Cdn2Si2多晶薄膜结构的峰位，两个主峰位在2 θ =29. 40° 和 2Θ=42. 26° 附近。本专利技术用SIMS技术测定薄膜组分，用XPS分析技术测定Cu、In、Si的价态，最后确定薄膜组分Cu、In、Si的价态分别为2，3，4。本专利所述的磁控溅射制备Cdn2Si2多晶薄膜的
技术实现思路
详述如下 1)铜铟硅薄膜的三靶汇聚共溅射制备方法用高真空三靶汇聚磁控溅射系统，选纯度为99. 999%的铜靶，纯度为99. 99%的硅靶，和纯度为99. 995%的铟靶，分别安装在两个射频溅射电源和一个直流溅射电源上，硅靶用射频溅射，溅射功率用160-220瓦；铜靶用射频溅射，溅射功率用50-80瓦；铟靶用直流溅射， 溅射功率用15-20瓦，衬底选用硅片或玻璃，衬底与靶材的距离为15厘米，溅射工艺气体为纯度为99. 999%的氩气，系统真空度达10-5! 后通入工艺气体，工作压强在0. 3-0. 8Pa,每个溅射电源的溅射功率必须在共溅射前分别精心调节，按一定的化学组分比沉积薄膜，并用美国Σ公司的石英晶振厚度监控仪控制，沉积薄膜的厚度和时间可以由石英晶振厚度监控仪控制，用Dektak-150表面轮廓仪最终测定厚度，本专利技术所制备的铜铟硅三靶汇聚共溅射薄膜的厚度为40-500纳米，沉积速率为0.025nm/s -0.059 nm/s。2)铜铟硅薄膜的微薄层分层复合法用磁控溅射系统制备铜铟硅多层溅射复合薄膜。铜靶纯度为99. 999%，铟靶纯度为 99. 995%，硅靶纯度为99. 99%，有两个射频电源用于硅和铜的溅射，另一个直流电源用于铟的溅射，每个溅射电源的溅射功率都可以调节，硅靶用射频溅射，溅射功率用160-220瓦； 铜靶用射频溅射，溅射功率用50-80瓦；铟靶用直流溅射，溅射功率用15-20瓦，衬底与靶材的距离为15厘米，沉积薄膜的厚度和时间可以由石英晶振厚度监控仪控制，用Dektak-150 表面轮廓仪最终测定厚度，工作气体为氩气，气体流量为25Cssm。在工作压强为0. 3-0. SPa下，轮流对铜铟硅三靶分别溅射，在玻璃衬底或硅衬底上轮流沉积一层铜、铟、硅薄层，反复沉积形成多层膜，在沉积过程中，通过严格控制工作压强、溅射功率和溅射时间，每一层的厚度控制在5纳米以内，使每一层的厚度能符合铜铟硅的一定比例，在复合过程中本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种三元化合物太阳能电池薄膜，其特征在于：所述薄膜成份为ＣｕＩｎ２Ｓｉ２，薄膜的吸收系数大于１０５ｃｍ－１，带隙在１．４ｅＶ～１．６ｅＶ之间。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：谢建生，李金华，蒋美萍，
申请(专利权)人：常州大学，
类型：发明
国别省市：32