CIGS雙梯度帶隙吸收層的制備及特性

2014-03-09 李強(qiáng) 內(nèi)蒙古大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院

　　采用脈沖激光沉積(PLD)方法，在鈉鈣玻璃上沉積不同Ga 含量的CuIn(1-x)GaxSe2 薄膜，研究不同Ga 含量對CIGS 薄膜結(jié)構(gòu)及光學(xué)特性的影響。研究表明：隨著Ga 含量增加，CIGS 薄膜的光學(xué)帶隙增大。優(yōu)選特性較好的CIGS 沉積在同一個鈉鈣玻璃襯底上，使Ga/(In+Ga)比在薄膜內(nèi)縱深方向呈先減小后增加的變化。采用XPS 逐層刻蝕分析薄膜的元素組成，利用帶隙近似公式得到能帶隨深度變化情況，最終得到結(jié)構(gòu)、光學(xué)特性和電學(xué)特性較好的雙梯度帶隙結(jié)構(gòu)薄膜。

　　CuInGaSe2(CIGS)薄膜太陽電池由于具有高的轉(zhuǎn)換效率、低的制造成本以及性能穩(wěn)定而被國際上稱為下一代最有前途的廉價太陽電池之一，有望成為未來光伏電池的主流產(chǎn)品。CIGS 是一種四元化合物半導(dǎo)體薄膜，其光學(xué)帶隙可以根據(jù)不同的Ga/ (In+Ga) 比在1.04 eV~1.67 eV 之間連續(xù)可調(diào)，利用CIGS 材料的這種特點，人們設(shè)計研究了雙梯度帶隙結(jié)構(gòu)，可使Ga/(In+Ga)比在膜內(nèi)縱深方向按一定分布。這種帶隙結(jié)構(gòu)在膜內(nèi)形成一個指向背電極的自建電場，這個自建電場造成了載流子的漂移運動，增加了載流子輸運能力，使得載流子更容易被背電極吸收，增加了光電流，減少背表面復(fù)合等，可以提高電池的效率。但是雙梯度帶隙的制備工藝以及機(jī)理研究還不多，精確控制膜內(nèi)Ga/(In+Ga)還比較困難。本文采用脈沖激光沉積(PLD)方法，精確控制膜內(nèi)Ga/ (In+Ga)組分，形成縱深方向組分變化的多層CIGS 薄膜，優(yōu)化了雙梯度帶隙吸收層。

1、實驗

　　采用中科院沈陽科學(xué)儀器廠生產(chǎn)的PLD-450型脈沖激光濺射儀，腔室內(nèi)裝有四個獨立靶位，激光器為美國相干公司(Coherent Inc.) 生產(chǎn)的COMPexPro201 脈沖準(zhǔn)分子激光器，濺射靶材采用高純CuIn0.9Ga0.1Se2、CuIn0.7Ga0.3Se2、CuIn0.5Ga0.5Se2 靶材(純度99.999%)。

　　將CIGS 靶材和鈉鈣玻璃襯底固定在相應(yīng)的樣品架上，襯底和CIGS 靶材的距離為5 cm，襯底溫度為350℃，系統(tǒng)真空度為6.7×10^-5 Pa，激光器工作模式為恒壓25 kV，激光能量在650 mJ~690 mJ，頻率為10 Hz。每次更換靶材后，需用擋板擋住襯底，濺射1000 個脈沖，以去除靶材表面氧化層和其它雜質(zhì)，然后打開擋板，正式開始濺射，通過調(diào)節(jié)激光的能量以及脈沖次數(shù)來控制薄膜的厚度。制備樣品退火條件為：氬氣保護(hù)下，溫度分別為450℃、475℃、500℃、525℃下熱處理30 min,制備出12 組樣品如表1。優(yōu)選其中質(zhì)量較好的樣品，制備成雙梯度帶隙吸收層，先沉積CuIn0.5Ga0.5Se2 薄膜，再沉積CuIn0.7Ga0.3Se2 薄膜，最后沉積CuIn0.5Ga0.5Se2 薄膜，總厚度約為1 μm，最后在氬氣保護(hù)下500℃熱處理30 min。

表1 樣品熱處理溫度及編號

樣品熱處理溫度及編號

　　物相結(jié)構(gòu)分析采用X 射線衍射儀( 德國BRUKDR，D8-ADVANCE 型)分析，測試條件為Cukα輻射，λ=0.154187 nm，電壓40.0 kV，電流50mA，掃描速率10°/min，掃描范圍2θ：10°~80°，通過與標(biāo)準(zhǔn)PDF 卡片對照得到樣品的物相。

　　薄膜表面觀測采用掃面電子顯微鏡(S-3400型，日立牌);橫切面形貌觀測采用掃面電子顯微鏡(S-4800 型，日立牌);薄膜成份分析采用能譜儀(Brucker，QUANTAX 200);薄膜透過及反射率測試采用紫外—可見分光光度計(PerkinElmer 公司，Lambda750S); 薄膜厚度測試采用臺階儀(ET3000—I，日本小坂研究所株式會社);薄膜電學(xué)特性測試采用霍爾效應(yīng)測試儀(Ecopia,HMS-3000)。

　　采用X 射線光電子能譜儀(島津/KRATOS，AMICUS 型，X 射線源為Mgkα 12 kV、30 mA，靈敏度700 kcps，分辨率FWHM Ag3d5/2 0.8 eV)進(jìn)行表面刻蝕，分析縱深方向元素變化情況。

3、結(jié)論

　　采用脈沖激光沉積法，在薄膜縱向沉積不同Ga 含量的CuIn(1-x)GaxSe2 多層薄膜，形成雙梯度帶隙結(jié)構(gòu)，制備出了前帶隙差為0.09 eV，后帶隙差為0.13 eV的雙梯度帶隙結(jié)構(gòu)薄膜，薄膜的電阻率為4.1251Ω·cm、載流子濃度為2.586×1017/cm3，可作為高效CIGS 薄膜太陽電池的吸收層。