專利名稱：一種銅銦硒基太陽能薄膜電池光吸收層用陶瓷靶材制備方法
技術領域：
本發明屬于太陽能電池薄膜、派射祀材等領域,涉及一種CuIr^GahSejO < x < I)光吸收層制備用陶瓷靶材的制備方法。
背景技術：
銅銦鎵硒(CIGS)薄膜電池具有轉換效率高(最高轉換效率接近20%)，制造成本低，同時其可在聚酰亞胺薄膜等柔性襯底上沉積，具有柔性特點，可在諸多特殊領域應用，如野外作業帳篷、航天器、太陽能帆板等。目前，銅銦鎵硒薄膜太陽能電池是國際、國內光伏領域研究的熱點，世界各國也投入了大量的資金在快速推動其大規模產業化。目前制備CIGS薄膜太陽能電池的主流方法有共蒸發法、金屬后硒化法以及化學溶液發等，共蒸發法制備的電池轉換效率高，但其控制難度大、設備成本；金屬后硒化方法生產效率高，適合工業化制備，但其在硒化過程中發生化合反應，膜層體積變化大，應力大，大面積制備時，質量穩定性控制難度較大；化學溶液發的最大優勢是成本低，但轉換效率一般都比較。近年來，有研究團隊采用CIGS陶瓷靶濺射，隨后補硒的工藝制備CIGS光吸收層，該方法可有效解決共蒸發工藝存在的成分控制難度大問題，同時CIGS陶瓷靶沉積的前驅膜已經具有黃銅礦結構，補硒工藝只是使其滿足化學計量比要求，因此可避免后硒化工藝存在的膜層體積變化較大的問題。由于CIGS陶瓷靶是四元合金，因此合成工藝較復雜，靶材成品率較低，靶材質量穩定性較差，成本較高，而成本和質量穩定性是影響其產業化的關鍵因素之一。因此簡化靶材制備工藝,提高靶材成品率和質量穩定性，降低靶材成本對CIGS薄膜太陽能電池的產業化具有重要的意義。
發明內容
本發明的目是針對現有CIGS薄膜太陽能電池用CIGS靶材存在的質量不穩定和成本高問題，提供一種CIGS太陽能薄膜電池光吸收層用陶瓷靶材制備方法，本發明可提高CIGS陶瓷靶的穩定性，降低成本。本發明方法步驟如下1.根據所要獲得的銅銦硒基太陽能薄膜電池光吸收層的成分，計算各二元陶瓷塊在靶材濺射區域所占的面積比例，將所述的面積比例換算為相應的環狀扇形的角度，并將對應的角度8等份，作為最小單元；隨后量出該濺射陰極的濺射區域尺寸。設計陶瓷塊尺寸時，環狀扇形的寬度應比濺射區域尺寸大20% ；
2.將Ga2Se3、In2Se3和CuSe三種二元陶瓷板加工成設計的尺寸，通過調整各環狀扇形角度可調整靶材的成分，本發明Ga2Se3、In2Se3和CuSe環狀扇形最小單元角度范圍分別為5° 8°、16° 20°和20° 22° ;3.將加工好的陶瓷塊放入磁控濺射設備，在其上于室溫下沉積I μ m厚Ni ;
4.在銅背板上加工出鑲嵌陶瓷塊的環形區域，即鑲嵌區，將In5tlSn5tl低溫焊料均勻涂敷在銅背板上，隨后把鍍有Ni的各陶瓷塊交叉裝入銅背板鑲嵌區，相同材料的陶瓷塊不能相鄰；5.將拼接好的靶材放入真空爐中，并在靶材上施加30 35g/cm2的壓力，真空抽至IOPa以下，以10°C /min升溫至135°C，保溫10S,隨后快速降溫至室溫，取出靶材。
圖1本發明靶材俯視圖；圖2本發明靶材剖面圖；圖3實施例1靶材平面圖；圖4實施例2靶材平面圖；圖5實施例3靶材平面圖；圖6實施例4靶材平面圖；圖7實施例5靶材平面圖；圖1和圖2中Tc為銅背板，Tl、T2、T3陶瓷塊；圖3 圖7中1為CuSe陶瓷扇形環最小單元、2為In2Se3陶瓷扇形環最小單元、3為Ga2Se3陶瓷扇形環最小單元。
具體實施例方式以下結合附圖和具體實施方式
進一步說明本發明。實施例11、本實施例革巴材尺寸為□ 80mm,扇形環的內半徑為IOmm,夕卜半徑為35mm,如圖1和2所示的Tc部分；2、In2Se3、Ga2Se3和Cu2Se的最小環狀扇形的角度分別為5°，20°和20° ;3、將市場上購買的純度99. 99%、厚度3mm的Ga2Se3、In2Se3和CuSe陶瓷薄板分別加工成步驟I和2所述尺寸的環狀扇形，靶平面結構如圖3所示，圖中1、2和3分別代表Cu2Se、In2Se3和Ga2Se3的最小拼接單元；4、用磁控濺射的方法在加工好的陶瓷塊上沉積I μ m厚的Ni，提高靶材與銅背板的結合強度；5、在6mm厚的銅背板上加工出圖1和2所示的環形槽，作為靶材拼接的區域；6、將市場購買的In5tlSn5tl低溫焊料均勻涂敷在銅背板上，焊料用量要適中，不能過多；7、將各陶瓷塊鍍有Ni面朝向銅背板在拼區域緊密交叉拼接，要求相同材料的陶瓷塊不能相鄰，具體拼接方法如圖3所示；8、將拼接在銅背板上的靶材放置真空腔室中，并在靶材上施加30 35g/cm2的壓力，并將真空抽至小于IOPa ；9、以10°C /min的升溫速率升溫至135°C，保溫10S，隨后快速降溫至室溫，取出靶材；用該靶材濺射制備的薄膜成分如表I所示。實施例2
1、本實施例革巴材尺寸為□ 80mm,扇形環的內半徑為IOmm,夕卜半徑為35mm,如圖1和2所示的Tc部分；2、In2Se3、Ga2Se3和Cu2Se的最小環狀扇形的角度分別為7°，18°和20° ;3、將市場上購買的純度99. 99%、厚度3mm的Ga2Se3、In2Se3和CuSe陶瓷薄板分別加工成步驟I和2所述尺寸的環狀扇形，靶平面結構如圖4所示，圖中1、2和3分別代表Cu2Se、In2Se3和Ga2Se3的最小拼接單元；4、用磁控濺射的方法在加工好的陶瓷塊上沉積I μ m厚的Ni，提高靶材與銅背板的結合強度；5、在6mm厚的銅背板上加工出圖1和2所示的環形槽，作為靶材拼接的區域；6、將市場購買的In5tlSn5tl低溫焊料均勻涂敷在銅背板上，焊料用量要適中，不能過多； 7、將各陶瓷塊鍍有Ni面朝向銅背板在拼區域緊密交叉拼接，要求相同材料的陶瓷塊不能相鄰，具體拼接方法如圖4所示；8、將拼接在銅背板上的靶材放置真空腔室中，并在靶材上施加30 35g/cm2的壓力，并將真空抽至小于IOPa ；9、以10°C /min的升溫速率升溫至135°C，保溫10S，隨后快速降溫至室溫，取出靶材；用該靶材濺射制備的薄膜成分如表I所示。實施例31、本實施例革巴材尺寸為□ 80mm,扇形環的內半徑為IOmm,夕卜半徑為35mm,如圖1和2所示的Tc部分；2、In2Se3、Ga2Se3和Cu2Se的最小環狀扇形的角度分別為7°，16°和22° ;3、將市場上購買的純度99. 99%、厚度3mm的Ga2Se3、In2Se3和CuSe陶瓷薄板分別加工成步驟I和2所述尺寸的環狀扇形，靶平面結構如圖5所示，圖中1、2和3分別代表Cu2Se、In2Se3和Ga2Se3的最小拼接單元；4、用磁控濺射的方法在加工好的陶瓷塊上沉積I μ m厚的Ni，提高靶材與銅背板的結合強度；5、在6_厚的銅背板上加工出圖1和2所示的環形槽，作為靶材拼接的區域；6、將市場購買的In5tlSn5tl低溫焊料均勻涂敷在銅背板上，焊料用量要適中，不能過多；7、將各陶瓷塊鍍有Ni面朝向銅背板在拼區域緊密交叉拼接，要求相同材料的陶瓷塊不能相鄰，具體拼接方法如圖5所示；8、將拼接在銅背板上的靶材放置真空腔室中，并在靶材上施加30 35g/cm2的壓力，并將真空抽至小于IOPa ；9、以10°C /min的升溫速率升溫至135°C，保溫10S，隨后快速降溫至室溫，取出靶材；用該靶材濺射制備的薄膜成分如表I所示。實施例41、本實施例革巴材尺寸為□ 80mm,扇形環的內半徑為IOmm,夕卜半徑為35mm,如圖1和2所示的Tc部分；
2、In2Se3、Ga2Se3和Cu2Se的最小環狀扇形的角度分別為8° ,16°和21° ;3、將市場上購買的純度99. 99%、厚度3mm的Ga2Se3、In2Se3和CuSe陶瓷薄板分別加工成步驟I和2所述尺寸的環狀扇形，靶平面結構如圖6所示，圖中1、2和3分別代表Cu2Se、In2Se3和Ga2Se3的最小拼接單元；4、用磁控濺射的方法在加工好的陶瓷塊上沉積I μ m厚的Ni，提高靶材與銅背板的結合強度；5、在6mm厚的銅背板上加工出圖1和2所示的環形槽，作為靶材拼接的區域；6、將市場購買的In5tlSn5tl低溫焊料均勻涂敷在銅背板上，焊料用量要適中，不能過 多；7、將各陶瓷塊鍍有Ni面朝向銅背板在拼區域緊密交叉拼接，要求相同材料的陶瓷塊不能相鄰，具體拼接方法如圖6所示；8、將拼接在銅背板上的靶材放置真空腔室中，并在靶材上施加30 35g/cm2的壓力，并將真空抽至小于IOPa ；9、以10°C /min的升溫速率升溫至135°C，保溫10S，隨后快速降溫至室溫，取出靶材；用該靶材濺射制備的薄膜成分如表I所示。實施例51、本實施例革巴材尺寸為□ 80mm,扇形環的內半徑為IOmm,夕卜半徑為35mm,如圖1和2所示的Tc部分；2、In2Se3、Ga2Se3和Cu2Se的最小環狀扇形的角度分別為6° ,18°和21° ;3、將市場上購買的純度99. 99%、厚度3mm的Ga2Se3、In2Se3和CuSe陶瓷薄板分別加工成步驟I和2所述尺寸的環狀扇形，靶平面結構如圖7所示，圖中1、2和3分別代表Cu2Se、In2Se3和Ga2Se3的最小拼接單元；4、用磁控濺射的方法在加工好的陶瓷塊上沉積I μ m厚的Ni，提高靶材與銅背板的結合強度；5、在6mm厚的銅背板上加工出圖1和2所示的環形槽，作為靶材拼接的區域；6、將市場購買的In5tlSn5tl低溫焊料均勻涂敷在銅背板上，焊料用量要適中，不能過多；7、將各陶瓷塊鍍有Ni面朝向銅背板在拼區域緊密交叉拼接，要求相同材料的陶瓷塊不能相鄰，具體拼接方法如圖7所示；8、將拼接在銅背板上的靶材放置真空腔室中，并在靶材上施加30 35g/cm2的壓力，并將真空抽至小于IOPa ；9、以10°C /min的升溫速率升溫至135°C，保溫10S，隨后快速降溫至室溫，取出靶材；用該靶材濺射制備的薄膜成分如表I所示。表1:祀材成分與薄膜成分對應表
權利要求
1.一種銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽能電池光吸收層用濺射靶材的制備方法，其特征在于，所屬的制備方法采用Ga2Se3、In2Se3和CuSe三種二元陶瓷塊交叉拼接并焊接在銅背板上，步驟如下(1)根據所要獲得的光吸收層的成分，計算各二元陶瓷塊在靶材濺射區域所占的面積比例，將面積比例換算為相應的環狀扇形的角度，并將對應的角度8等份，作為最小單元； 隨后量出該濺射陰極的濺射區域尺寸，設計陶瓷塊尺寸時，環狀扇形的寬度應比濺射區域尺寸大20% ；(2)將Ga2Se3Un2Se3和CuSe三種二元陶瓷板加工成設計的尺寸，通過調整各陶瓷環狀扇形角度以調整靶材的成分，所述的Ga2Se3、In2Se3和CuSe環狀扇形最小單元角度范圍分別為5° 8°、16° 20°和20° 22° ;(3)將加工好的陶瓷塊放入磁控濺射設備，在靶材上于室溫下沉積Iym厚的Ni；(4)在銅背板上加工出鑲嵌陶瓷塊的環形區域，即鑲嵌區，將In5tlSn5tl低溫焊料均勻涂敷在銅背板上，隨后把鍍有Ni的各陶瓷塊交叉裝入銅背板鑲嵌區，相同材料的陶瓷塊不能相鄰；(5)將拼接好的靶材放入真空爐中，并在靶材上施加30 35g/cm2的壓力，真空抽至 IOPa以下，以10°C /min升溫至135°C，保溫10S，隨后快速降溫至室溫，取出靶材。
2.根據權利要求1所述的銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽能電池光吸收層用濺射靶材的制備方法，其特征在于，所述Ga2Se3、In2Se3和CuSe純度為99. 99%、厚度為3_的薄板。
3.根據權利要求1所述的銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽能電池光吸收層用濺射靶材的制備方法，其特征在于，所述Ni鍍層制備步驟如下，將加工好的陶瓷塊清洗干凈，并裝入磁控濺射設備樣品臺上，安裝Ni靶材，靶基距為60mm，然后抽真空至小于3. O X 10 ,隨后通入氬氣，將氣壓調至O.1 1. 5Pa，開濺射，將濺射功率增加至120W，輝光穩定后，移開擋板，沉積10 20min，隨后關擋板，關濺射，關真空系統，得到表面金屬化的陶瓷塊。
4.根據權利要求1所述的銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽能電池光吸收層用濺射靶材的制備方法，其特征在于，各陶瓷塊拼接緊密，避免焊接過程中焊料從接縫處滲透到靶材表面。
全文摘要
一種銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽能電池光吸收層用濺射靶材的制備方法。首先計算各二元陶瓷塊在靶材濺射區域所占的面積比例，將面積比例換算為相應的環狀扇形的角度，并將對應的角度8等份，作為最小單元；隨后量出該濺射陰極的濺射區域尺寸；然后將Ga2Se3、In2Se3和CuSe三種二元陶瓷板加工成設計的尺寸，調整各陶瓷環狀扇形角度可調整靶材的成分。Ga2Se3、In2Se3和CuSe環狀扇形最小單元角度范圍為5°～8°、16°～20°和20°～22°；陶瓷塊放入磁控濺射設備，在室溫下在陶瓷塊表面沉積1μm的Ni；隨后把各陶瓷塊交叉裝入銅背板鑲嵌區；將拼接好的靶材放入真空爐中，并在其上施加30～35g/cm2的壓力，真空抽至10Pa以下，以10℃/min升溫至135℃，保溫10S，隨后快速降溫至室溫，取出靶材。
文檔編號C23C14/06GK103014623SQ20121053404
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月11日 優先權日2012年12月11日
發明者屈飛, 古宏偉, 丁發柱, 戴少濤 申請人:中國科學院電工研究所