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1、铜铟镓硒（CIGS）薄膜的制备 Members: 崔厚磊 葛 军 樊向前 孔庆路 Reporter: 范晓 Shanghai Institute of Ceramics, SICCAS 内容介绍 1 1 、引言、引言 2 2 、CIGSCIGS薄膜制备的几种主要方法薄膜制备的几种主要方法 3、方法比较及展望 1.1.引言引言 1.1 背景 1.2 CIGS简介 1.3 CIGS薄膜太阳能电池结构 1.4 CIGS太阳能电池的优势及应用 1.1背景 太阳能电池发电原理 1.2 CIGS简介 CulnSe2(CIS)属于IIIIVI 族化合物，属于正方晶系 黄铜矿结构，具有复式晶 格，晶格常数a=
2、0.577nm ，c =1.154nm 。 CIS中引 入Ga部分替代In形成CIGS (CuInxGa(1-x)Se2)，它是直 接带隙半导体材料，带隙 可在一较大范围内调节。 作为光的吸收层，CIGS是 薄膜电池的核心材料， CIGS晶体黄铜矿结构示意图 多元相图 1.3 CIGS薄膜太阳能电池结构 CIGS电池中异质结能带结构图 不同材料的光吸收系数 1.4 CIGS太阳能电池的优势及应用 性能优点 导体禁带能隙在1.01.7eV之间可调 吸收系数高，达到105cm-1 与缓冲层CdS有良好的晶格匹配 直接能隙，具有光子再循环效应 没有光致衰退效应 适应多种衬底材料 “下一时代非常有前途
3、的新型薄膜太阳电池”。 应用应用 贴在汽车上的CIGS太阳能电池 2. CIGS2. CIGS薄膜材料的制备方法薄膜材料的制备方法 真空工艺： 多源共蒸发法 溅射后硒化法 分子束外延法 化学气相沉积 非真空工艺： 电化学沉积 旋涂涂布法 丝网印刷法 喷墨打印法 2.1 2.1 多源共蒸发法多源共蒸发法 共蒸发是典型的物理气相沉积工艺共蒸发是典型的物理气相沉积工艺(PVD)(PVD)。根据。根据 薄膜沉积过程薄膜沉积过程, ,共蒸发可分为一步法、两步法和共蒸发可分为一步法、两步法和 三步法。三步法。 共蒸发试验室设备示意 图 In-Ga-Se预置层 表面富Cu的CIGS 薄膜 稍微贫铜的p型 C
4、IGS 源物质 三步共蒸发法工艺路线 等化学计量比的 CIGS 1、基底温度较低的情况下(400)蒸发In、Ga、 Se形成一层In-Ga-Se预置层。控制原子比例 In: Ga =0.7 0.3, In+Ga/Se=2:3; 3、少量的In,Ga,Se沉积以形成少量贫铜的CIGS 薄膜。 2、升高基底温度到570,蒸发Cu、Se。借助低 熔点的Cu2-xSe，形成表面富Cu的CIGS薄膜。 (In,Ga)(g)+Se(g)(In1-xGax)2Se3(s) (1) (In1-xGax)2Se3(s)+Cu(g)+Se(g) Cu(In,Ga)Se2(s) (2) Cu(In,Ga)Se2(s
5、)+ CuxSe+(In,Ga)(g)+Se(g) Cu(In,Ga)Se2(s) (3) Prog. Photovolt: Res. Appl. 2008; 16:235239 2.2 溅射后硒化法 Cu-In-Ga预 制层的沉积 预制层 硒化法 预制层硒 化热处理 真空工艺 非真空工艺 叠层 合金 化合物 H2Se气氛 Se气氛 H2Se Se 磁控溅射制备预制层： 氩气 靶材 基底 Cu、In 、Ga原 子 Ar+ CIG预制层 辉光 放电 磁控溅射系统示意图 工艺参数：气 压、溅射功率、Ar流量、溅射顺序 预制层的硒化： H2Se是最好的硒源,但 具有毒性且容易挥发； 固态Se作为硒源
6、，Se 压难以控制,在热处理 过程中会导致In、Ga 等元素的损失操作安全 ,设备简单。 真空硒化退火装置示意图 硒主要通过扩散进入薄膜内部与金属预置层 的Cu、In、Ga元素反应生成CuInxGa1-xSe2 薄膜 阴极：Mo/钠钙玻璃衬底 阳极：Pt 参比电极：饱和甘汞电极（SCE） 控制参数：各成分浓度、PH、温度、电沉积电位 电沉积时间 CuCl2 、InCl3 、 GaCl3、 H2SeO3 ： 柠檬酸钠络合剂 LiCl：支持电解质 2.3 电化学沉积 电解 质溶 液成 分 CIGS薄膜的电沉积制备通常被认为是在阴极上 发生出如下反应: Cu+2 + In+3 + Ga+3 +2H2
7、SeO3+8H+ Cu(In,Ga)Se2 + 6H2O 组成CIGS的四种元素电化学势如下: GaCl3SeCl4CuCl2InCl3 45mM 60mM7.5mM55mM 温度时间阴极电位 65150min-0.2到-2.2v Reline试剂：氯化 胆碱，尿素 沉积条件: 结果：2+m的Cu1.0(In0.7, Ga0.3)Se2层，无微裂纹，光 学性能良好。 One-pot electrodeposition, characterization and photoactivity of stoichiometric copper indium gallium diselenide (CIGS) thin films for solar cells. J. Mater. Chem (2010) Kwak et al. Crystal Growth 6、郭杏元等. CIGS薄膜太阳能电池吸收层制备工艺综述.真空与低温 .2008,14(3):125-132; 7、肖建平等.CIGS薄膜材料研究进展.西南民族大学学报.2008,34(1):189-192.
