CN105006501A - Cigs基薄膜太阳能电池的制备方法及制备装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种CIGS基薄膜太阳能电池的制备方法及制备装置。本发明是在一个真空腔体中采用双靶溅射沉积CIGS基薄膜太阳能电池的光吸收层，在溅射过程中，1号靶的等离子体烧蚀区域朝向基板方向，2号靶的等离子体烧蚀区域朝向1号靶的表面，这样2号靶的材料就先沉积到1号靶上，然后再和1号靶的材料一起沉积到基板上，此种光吸收层的制备方法使沉积的膜层的组分更加均匀。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜太阳能电池技术领域，尤其涉及CIGS基薄膜太阳能电池的制备方法及制备装置。
背景技术
随着全球气候变暖、生态环境恶化和常规能源的短缺，越来越多的国家开始大力发展太阳能利用技术。太阳能光伏发电是零排放的清洁能源，具有安全可靠、无噪音、无污染、资源取之不尽、建设周期短、使用寿命长等优势，因而备受关注。铜铟镓硒（CIGS）是一种直接带隙的P型半导体材料，其吸收系数高达105/cm，2um厚的铜铟镓硒薄膜就可吸收90%以上的太阳光。CIGS薄膜的带隙从1.04eV到1.67eV范围内连续可调，可实现与太阳光谱的最佳匹配。铜铟镓硒薄膜太阳电池作为新一代的薄膜电池具有成本低、性能稳定、抗辐射能力强、弱光也能发电等优点，其转换效率在薄膜太阳能电池中是最高的，已超过20%的转化率，因此日本、德国、美国等国家都投入巨资进行研究和产业化。
采用溅射方法制备CIGS基薄膜太阳能电池的光吸收层，可采用单靶溅射沉积、双靶溅射沉积。传统的方法：单靶溅射沉积采用单个平面靶或单个旋转靶，双靶溅射采用双平面靶或双旋转靶。由于CIGS基薄膜太阳能电池的光吸收层是由多组分构成，传统的制备光吸收层的溅射方法都是将靶的等离子体烧蚀区域朝向基板，而且采用具有不同组分的双靶靶材共溅射沉积膜层，此种方法将会导致所沉积的膜层组分不够均匀。
图1为传统的CIGS基薄膜太阳能电池的制备装置的结构示意图，其中1号靶1包括1号靶靶材6和1号靶磁体8，2号靶2包括2号靶靶材5和2号靶磁体7。1号靶1和2号靶2都是旋转圆柱靶，当然也可以换成两个平面靶，也可以是一个旋转圆柱靶和一个平面靶组合；该1号靶电源10和2号靶电源9可以是DC电源、AC电源等，1号靶1和2号靶2可以各自连接一个电源，也可以共用同一个电源，该图中1号靶靶材6和2号靶靶材5可以是导电的也可是不导电的；1号靶阳极12和2号靶阳极11均接地，当1号靶1和2号靶2连接一个AC电源时，1号靶阳极12和2号靶阳极11可以省略掉；1号靶等离子体4和2号靶等离子体3是相互平行且垂直于基板表面，当然这两个等离子体也可以各自倾斜一个角度后相交于基板表面；其中基板18是从左往右传输的，当然也可从右往左传输；该图中进气口15和进气口16是用来通入溅射沉积膜层17所需的气体，包括惰性气体和/或反应气体。
中国专利CN103367523 A公开了一种薄膜太阳能电池的吸收层制作装置及其制作方法，该专利采用铜镓合金靶和铟靶双靶共溅射到基板上，其中两个靶的等离子体烧蚀区域都是朝向基板，此种方法所获得的膜层组分不均匀，这将会影响到光吸收层的性能，从而导致薄膜太阳能电池性能下降。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之不足，公开了一种CIGS基薄膜太阳能电池的制备装置及其制备方法。本发明是在一个真空腔体中采用双靶溅射沉积CIGS基薄膜太阳能电池的光吸收层，在溅射过程中，1号靶的等离子体刻蚀区域朝向基板，2号靶的等离子体区域朝向1号靶的表面，这样2号靶的材料就先沉积到1号靶上，然后再和1号靶的材料一起沉积到基板上，此种光吸收层的制备方法使沉积膜层的组分更加均匀。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明提供了一种CIGS基薄膜太阳能电池的制备方法，提供一基板，并对所述基板加热至指定温度；然后在真空腔体中采用双靶溅射沉积光吸收层在基板上，所述双靶为1号靶和2号靶；在光吸收层的溅射沉积过程中，所述1号靶的等离子体烧蚀区域朝向基板方向，所述2号靶的等离子体烧蚀区域朝向所述1号靶的表面；所述2号靶的靶材料先沉积到1号靶上，然后再和1号靶的靶材料一起沉积到基板上。
进一步的，所述1号靶为旋转圆柱靶，所述2号靶为旋转圆柱靶或平面靶。
进一步的，所述1号靶的靶材和所述2号靶的靶材选自铟镓硒靶、铜硒靶、铟铝硒靶、铜镓靶、铟靶、铟铝靶、铜铟镓靶、铜铟铝靶、铜铟镓硒靶、铜靶、铜锑靶、铟锑靶、镓锑靶、铜镓锑靶、铜镓铋靶、铜铋靶、铟铋靶、镓铋靶、锌靶、锌镓靶、锌铝靶或锌镓铝靶。
进一步的，所述优选1号靶靶材和2号靶靶材都具有一定的导电性。
进一步的，所述1号靶靶材和2号靶靶材至少一个含有碱金属元素，所述1号靶靶材和/或2号靶靶材优选含有钠。
进一步的，所述光吸收层为p型铜铟镓硒、p型铜铟镓硒硫、p型铜铟镓硫、p型铜铟镓铝硒、p型铜铟镓铝硒硫、p型铜铟镓铝硫、p型铜铟铝硒、p型铜铟铝硒硫、p型铜铟铝硫、p型铜铟硒、p型铜铟硒硫、p型铜铟硫；所述光吸收层中还可含有锑、铋元素；所述光吸收层中含有碱金属元素，所述光吸收层中优选含有钠元素；上述膜层中的碱金属元素来自于基板、背电极层和/或制作光吸收层时所产生。
进一步的，所述1号靶和2号靶与电源相连，所述电源为AC电源、DC电源或RF电源，所述电源优选为AC电源或DC电源。
进一步的，在光吸收层的溅射沉积过程中通入惰性气体和含硫族元素的气体中的至少一种。
进一步的，所述指定温度为350℃~600℃。所述基板为沉积有背电极层的钠钙玻璃、不锈钢薄板、聚酰亚胺板、铝薄板或钛薄板。所述背电极层为钼电极层、钛电极层、铬电极层或AZO透明导电层。
进一步的，在沉积所述的背电极层之前，先沉积一层电介质材料层。所述电介质材料层由氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氮化钛、氧化钛、氮氧化钛、氮氧化锆、氧化锆、氮化锆、氮化铝、氧化铝、氧化硅铝、氮化硅铝、氮氧化硅铝、锌锡氧化物或它们的混合物组成；所述电介质材料层或由硅、锆和钛中的至少一种元素与钼组成的至少两种元素的氧化物、氮化物或氮氧化物组成；当在钠钙玻璃上沉积膜层时，所述电介质材料层可由一含有Li、K中至少一种元素的碱过滤层替代，该碱过滤层包含Li、K中的至少一种元素和Si、Al、O三种元素。
进一步的，所述2号靶的靶材料沉积到1号靶上，然后再和1号靶的靶材料一起沉积到基板上。通过本发明的方法可以在光吸收层上面直接形成一层n型半导体层，该n型半导体层含有光吸收层的一些元素。
本发明还提供了一种CIGS基薄膜太阳能电池的制备装置，包括至少一个真空腔体，每个真空腔体内包含两个溅射靶和一基板，所述两个溅射靶为1号靶和2号靶，其中1号靶的等离子体烧蚀区域朝向基板，2号靶的等离子体烧蚀区域朝向1号靶的表面；在2号靶与基板之间设有一挡板；真空腔体内设有加热元件和进气口，所述进气口连接有进气管，所述加热元件设置在基板下方。
进一步的，所述1号靶为旋转圆柱靶，所述2号靶为旋转圆柱靶或平面靶。
进一步的，所述1号靶和2号靶与电源相连，所述电源为AC电源、DC电源或RF电源。
进一步的，所述真空腔体内设有阳极元件，靶内部设有冷却系统，所述真空腔体设有冷却系统。所述真空腔体可为水平构造或立式构造。
与现有技术相比本发明具有以下优点：
1、本发明在真空腔体内溅射沉积光吸收层的过程，通过将所述1号靶的等离子体烧蚀区域朝向基板方向，所述2号靶的等离子体烧蚀区域朝向所述1号靶的表面，这样2号靶的材料就先沉积到1号靶上，然后再和1号靶的材料一起沉积到基板上，由此可提高所沉积膜层的组分均匀性；
2、通过本发明的方法制备光吸收层，可轻易通过改变连接1号靶的电源参数或连接2号靶的电源参数来改变光吸收层的组分，从而容易获得所需要的组分分布；
3、本发明的CIGS基薄膜太阳能电池的制备装置相对简单，可进行连续式大规模生产，可提高生产效率，降低CIGS基薄膜电池的生产成本。
附图说明
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
图1为传统的CIGS基薄膜太阳能电池的制备装置的真空腔体内部结构示意图；
图2为本发明的CIGS基薄膜太阳能电池的制备装置的真空腔体内部结构一示意图；
图3为本发明的CIGS基薄膜太阳能电池的制备装置的真空腔体内部结构二示意图。
附图标记说明：
1-1号靶，2-2号靶，3-2号靶等离子体，31-2号靶掉落的等离子体材料，4-1号靶等离子体，5-2号靶靶材，6-1号靶靶材，7-2号靶磁体，8-1号靶磁体，9-2号靶电源，10-1号靶电源，11-2号靶阳极，12-1号靶阳极，13-挡板，14-进气口，15-进气口，16-进气口，17-膜层，18-基板。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
在此先说明，本发明中DC电源指的是直流电源，AC电源指的是交流电源，RF电源指的是射频电源，硫族元素指的是硫元素和硒元素，在本发明的整个说明书及权利要求中都是如此。
本发明的薄膜太阳能电池的制备装置的真空腔体内部结构一如图2所示，其中1号靶1包括1号靶靶材6和1号靶磁体8，2号靶2包括2号靶靶材5和2号靶磁体7。该1号靶1和2号靶2都是旋转圆柱靶，其中2号靶等离子体3朝向1号靶1的表面，而1号靶等离子体4朝向基板18表面；该1号靶电源10和2号靶电源9优选使用DC电源或AC电源，1号靶1和2号靶2可以各自连接一个电源，也可以共用同一个电源；其中1号靶靶材6和2号靶靶材8可以是导电的也可是不导电的，优选1号靶靶材6和2号靶靶材8都具有一定的导电性，可通过改变电源的参数来改变所要沉积的光吸收层的组分，当然也可通过改变各个靶的磁体的磁场强度来改变所要沉积的光吸收层的组分；1号靶阳极12和2号靶阳极11均接地，当1号靶1和2号靶2连接一个AC电源时，1号靶阳极12和2号靶阳极11可以省略掉；其中的基板18是从左往右传输的，当然也可从右往左传输，在基板18的下方可设置一加热元件（图中未视出），可对基板18进行加热；其中挡板13位于2号靶2与基板18之间，使用挡板13将该2号靶掉落的等离子体材料31挡掉，避免其掉落到基板表面而影响所要沉积膜层的质量；其中进气口14、进气口15和进气口16是用来通入溅射沉积膜层17所需的气体，包括惰性气体和/或反应气体，进气口也可以设置为一个或两个。本发明的制备装置还含有冷却系统，在图中未标出。
本发明的CIGS基薄膜太阳能电池的制备装置的的真空腔体内部结构二如图3所示，其中2号靶为平面靶，其他主要部件与图2中的结构一相同。
将多个如图2和/或图3的溅射装置拼在一起就可组成一连续沉积膜层的生产线，可通过在各个溅射装置中装配不同的靶材来沉积组分变化的光吸收层。
以下通过几个具体实施例来说明本发明的CIGS基薄膜太阳能电池的制备装置及其制备方法。
实施例1
在溅射装置中1号靶为铟镓硒靶，2号靶为铜硒靶，1号靶和2号靶都是旋转圆柱靶，开启溅射装置内的加热元件使其能使基板温度稳定在350℃，通入适量的氩气，开启连接靶的DC电源对靶材进行预溅射，1号靶的等离子体烧蚀区域朝向基板方向，2号靶的等离子体烧蚀区域朝向所述1号靶的表面；预溅射结束后接着将沉积有钼电极层的钠钙玻璃基板传输进入到溅射装置中，接着对基板进行膜层沉积，在基板上形成含有铜铟镓硒四种元素的薄膜层，接着将该基板送入硒化炉内进行高温硒化反应（硒化炉的温度为550℃），从而生成具有黄铜矿结构的p型铜铟镓二硒光吸收层。
实施例2
在溅射装置中1号靶为铟镓硒靶，2号靶为铜硒靶，1号靶和2号靶都是旋转圆柱靶，开启溅射装置内的加热元件使其能使基板温度稳定在500℃，通入适量的氩气，开启连接靶的DC电源对靶材进行预溅射，1号靶的等离子体烧蚀区域朝向基板方向，2号靶的等离子体烧蚀区域朝向所述1号靶的表面；预溅射结束后接着将沉积有钼电极层的钠钙玻璃基板传输进入到溅射装置中，接着对基板进行膜层沉积，从而在基板上直接生成具有黄铜矿结构的p型铜铟镓二硒光吸收层。
实施例3
在溅射装置中1号靶为铟铝硒靶，2号靶为铜硒靶，1号靶为旋转圆柱靶，2号靶为平面靶，开启溅射装置内的加热元件使其能使基板温度稳定在500℃，通入适量的氩气，开启连接靶的DC电源对靶材进行预溅射，1号靶的等离子体烧蚀区域朝向基板方向，2号靶的等离子体烧蚀区域朝向所述1号靶的表面；预溅射结束后接着将沉积有钼电极层的钠钙玻璃基板传输进入到溅射装置中，接着对基板进行膜层沉积，从而在基板上直接生成具有黄铜矿结构的p型铜铟铝二硒光吸收层。
实施例4
在溅射装置中1号靶为铟靶，2号靶为铜镓靶，1号靶和2号靶都是旋转圆柱靶，开启溅射装置内的加热元件使其能使基板温度稳定在600℃，通入适量的氩气和硒蒸汽，开启连接靶的AC电源对靶材进行预溅射，1号靶的等离子体烧蚀区域朝向基板方向，2号靶的等离子体烧蚀区域朝向所述1号靶的表面；预溅射结束后接着将沉积有钼电极层的钠钙玻璃基板传输进入到溅射装置中，接着对基板进行膜层沉积，从而在基板上直接生成具有黄铜矿结构的p型铜铟镓二硒光吸收层。
实施例5
在溅射装置中1号靶为铜镓靶，2号靶为铟靶，1号靶和2号靶都是旋转圆柱靶，开启溅射装置内的加热元件使其能使基板温度稳定在520℃，通入适量的氩气和硒化氢，开启连接靶的AC电源对靶材进行预溅射，1号靶的等离子体烧蚀区域朝向基板方向，2号靶的等离子体烧蚀区域朝向所述1号靶的表面；预溅射结束后接着将沉积有钼电极层的钠钙玻璃基板传输进入到溅射装置中，接着对基板进行膜层沉积，从而在基板上直接生成具有黄铜矿结构的p型铜铟镓二硒光吸收层。
实施例6
在溅射装置中1号靶为铜镓锑靶，2号靶为铟靶，1号靶和2号靶都是旋转圆柱靶，开启溅射装置内的加热元件使其能使基板温度稳定在500℃，通入适量的氩气和硒化氢，开启连接靶的AC电源对靶材进行预溅射，1号靶的等离子体烧蚀区域朝向基板方向，2号靶的等离子体烧蚀区域朝向所述1号靶的表面；预溅射结束后接着将沉积有钼电极层的钠钙玻璃基板传输进入到溅射装置中，接着对基板进行膜层沉积，从而在基板上直接生成具有黄铜矿结构的p型含锑的铜铟镓二硒光吸收层。
实施例7
在溅射装置中1号靶为铜镓铋靶，2号靶为铟靶，1号靶和2号靶都是旋转圆柱靶，开启溅射装置内的加热元件使其能使基板温度稳定在500℃，通入适量的氩气和硒化氢，开启连接靶的AC电源对靶材进行预溅射，1号靶的等离子体烧蚀区域朝向基板方向，2号靶的等离子体烧蚀区域朝向所述1号靶的表面；预溅射结束后接着将沉积有钼电极层的钠钙玻璃基板传输进入到溅射装置中，接着对基板进行膜层沉积，从而在基板上直接生成具有黄铜矿结构的p型含铋的铜铟镓二硒光吸收层。
实施例8
在溅射装置中1号靶为铜铟镓硒靶，2号靶为镓锑靶，1号靶和2号靶都是旋转圆柱靶，开启溅射装置内的加热元件使其能使基板温度稳定在500℃，通入适量的氩气和硒化氢，开启连接靶的RF电源对靶材进行预溅射，1号靶的等离子体烧蚀区域朝向基板方向，2号靶的等离子体烧蚀区域朝向所述1号靶的表面；预溅射结束后接着将沉积有钼电极层的钠钙玻璃基板传输进入到溅射装置中，接着对基板进行膜层沉积，从而在基板上直接生成具有黄铜矿结构的p型含锑的铜铟镓二硒光吸收层。
实施例9
在溅射装置中1号靶为铟镓硒靶，2号靶为铜硒靶，1号靶和2号靶都是旋转圆柱靶，开启溅射装置内的加热元件使其能使基板温度稳定在510℃，通入适量的氩气，开启连接靶的DC电源对靶材进行预溅射，1号靶的等离子体烧蚀区域朝向基板方向，2号靶的等离子体烧蚀区域朝向所述1号靶的表面；预溅射结束后接着将沉积有氮氧化硅膜层和钼电极层的不锈钢薄板传输进入到溅射装置中，接着对不锈钢薄板进行膜层沉积，从而在不锈钢薄板上直接生成具有黄铜矿结构的p型铜铟镓二硒光吸收层。
实施例10
在溅射装置中1号靶为铜铟镓靶，2号靶为铜铟镓靶，1号靶和2号靶都是旋转圆柱靶，开启溅射装置内的加热元件使其能使基板温度稳定在510℃，通入适量的氩气和硫化氢气体，开启连接靶的AC电源对靶材进行预溅射，1号靶的等离子体烧蚀区域朝向基板方向，2号靶的等离子体烧蚀区域朝向所述1号靶的表面；预溅射结束后接着将沉积有氮氧化硅膜层和钼电极层的不锈钢薄板传输进入到溅射装置中，接着对不锈钢薄板进行膜层沉积，从而在不锈钢薄板上直接生成具有黄铜矿结构的p型铜铟镓二硫光吸收层。
上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种CIGS基薄膜太阳能电池的光吸收层制备装置及其制备方法，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。
Claims (10)
1.一种CIGS基薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，提供一基板，并对所述基板加热至指定温度；然后在真空腔体中采用双靶溅射沉积光吸收层在基板上，所述双靶为1号靶和2号靶；在光吸收层的溅射沉积过程中，所述1号靶的等离子体烧蚀区域朝向基板，所述2号靶的等离子体烧蚀区域朝向所述1号靶的表面；所述2号靶的靶材料先沉积到1号靶上，然后再和1号靶的靶材料一起沉积到基板上。
2.根据权利要求1所述的CIGS基薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述1号靶为旋转圆柱靶，所述2号靶为旋转圆柱靶或平面靶。
3.根据权利要求1所述的CIGS基薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述1号靶的靶材和所述2号靶的靶材选自铟镓硒靶、铜硒靶、铟铝硒靶、铜镓靶、铟靶、铟铝靶、铜铟镓靶、铜铟铝靶、铜铟镓硒靶、铜靶、铜锑靶、铟锑靶、镓锑靶、铜镓锑靶、铜镓铋靶、铜铋靶、铟铋靶、镓铋靶、锌靶、锌镓靶、锌铝靶或锌镓铝靶。
4.根据权利要求1所述的CIGS基薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述1号靶靶材和2号靶靶材中至少一个含有碱金属元素。
5.根据权利要求1所述的CIGS基薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，在光吸收层的溅射沉积过程中通入惰性气体和含硫族元素的气体中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的CIGS基薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述指定温度为350℃~600℃。
7.一种CIGS基薄膜太阳能电池的制备装置，其特征在于，包括至少一个真空腔体，每个真空腔体内包含两个溅射靶和一基板，所述两个溅射靶为1号靶和2号靶，其中1号靶的等离子体烧蚀区域朝向基板，2号靶的等离子体烧蚀区域朝向1号靶的表面；在2号靶与基板之间设有一挡板；真空腔体内设有加热元件和进气口，所述进气口连接有进气管。
8.根据权利要求7所述的CIGS基薄膜太阳能电池的制备装置，其特征在于，所述1号靶为旋转圆柱靶，所述2号靶为旋转圆柱靶或平面靶。
9.根据权利要求7所述的CIGS基薄膜太阳能电池的制备装置，其特征在于，所述1号靶和2号靶与电源相连，所述电源为AC电源、DC电源或RF电源。
10.根据权利要求7所述的CIGS基薄膜太阳能电池的制备装置，其特征在于，所述真空腔体内设有阳极元件，靶内部设有冷却系统，所述真空腔体设有冷却系统。
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