銅銦鎵硒(CIGS)光伏薄膜的磁控濺射及組成調控研究進展

王鳳起，符春林，蔡 葦，高榮禮

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銅銦鎵硒(CIGS)光伏薄膜的磁控濺射及組成調控研究進展

王鳳起，符春林，蔡 葦，高榮禮

（重慶科技學院 冶金與材料工程學院，重慶 401331）

銅銦鎵硒（Cu(InGa1–x)Se2, CIGS）薄膜是目前備受關注的一種太陽能電池材料，磁控濺射是其重要的制備方法。本文從濺射工藝（襯底溫度、濺射功率、工作氣壓）和組成調控（硒含量、Ga梯度）兩個方面簡述了關于磁控濺射CIGS薄膜的研究進展（尤其是對其光伏性能的調控），提出了提高CIGS薄膜電池光電轉換效率的建議及研究方向。

銅銦鎵硒；太陽能電池；綜述；薄膜；磁控濺射；工藝優化

太陽能因可再生、清潔無污染、采用方便而成為最具有前景的新能源之一[1-2]。太陽能電池利用光生伏打效應將太陽輻射能直接轉換為電能，主要包括硅基太陽能電池、多元化合物薄膜太陽能電池、有機聚合物太陽能電池、染料敏化太陽能電池等[3-6]。其中，多元化合物薄膜太陽能電池的研究引人注目，尤其是銅銦鎵硒(Cu(InGa1–x)Se2，CIGS)薄膜太陽能電池[7-8]，例如：德國太陽能和氫能研究中心研制的CIGS薄膜電池實現了22.6%的光電轉換效率[9]。

典型的CIGS太陽能電池結構為鈉鈣玻璃/Mo/CIGS/CdS/ZnO/AZO/MgF2/Ni/Al[10-12]。其中，吸收層CIGS是一種由Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族元素構成的直接帶隙半導體，通過調節Ga與In的比例，其禁帶寬度在1.04~1.67 eV之間變化[13]，與太陽光譜有很好的匹配性。并且其可見光吸收系數高達105cm–1數量級[14]，是理想的光吸收材料。

利用磁控濺射法制備的CIGS光伏薄膜致密均勻，可以有效提高電池的光電轉換效率。目前，國內外研究者主要從優化吸收層薄膜的濺射工藝和成分出發來提高電池的性能。本文從濺射工藝和組成調控兩個方面系統地介紹國內外關于磁控濺射制備CIGS光伏薄膜的研究進展，并對其發展進行展望。

1 濺射工藝優化

CIGS薄膜在真空條件下的制備方法主要有共蒸發法[10,15]和磁控濺射法[16-17]。與共蒸發法相比，磁控濺射法制備的CIGS薄膜具有致密、均勻、附著力強等優點[16-18]。由電磁場加速的氬粒子轟擊靶材，產生的靶材粒子吸附在襯底上形成薄膜[19-20]，因此濺射工藝條件對薄膜的晶體結構、表面形貌、組成等具有重要作用，進而決定著CIGS薄膜的光伏性能。

1.1 襯底溫度

在高的襯底溫度下，晶粒的臨界尺寸增加，粒子在襯底表面的擴散能力增強，有利于得到內部缺陷較少的晶粒，并提高CIGS薄膜的光電性能。例如：Yan等[21]分別在不同襯底溫度(200，260，320，380℃)下濺射制備CIGS薄膜，發現隨著襯底溫度的升高，薄膜表面致密性增強，晶粒尺寸變大，載流子濃度逐漸降低，在1 200~2 400 nm范圍的紅外光透過率顯著增強（如圖1所示）。在一定范圍內隨著襯底溫度的升高，吸附原子的擴散速率和擴散能增加，薄膜致密且具有較好的結晶質量，從而晶界減少，載流子濃度降低。襯底溫度的升高可減少本征結構缺陷，提高定域態密度，從而提高導帶底與價帶頂之間的距離，光學帶隙值增大。總之，襯底溫度可以通過調整材料的結構和形貌來改善CIGS薄膜的電學和光學性能，從而提高薄膜電池的光電轉換效率。另據Chang等[22]指出，在高溫下，窗口層AZO具有高的電導率，但低襯底溫度的CIGS薄膜電池反而表現出更大的光電轉換效率。

圖1 不同襯底溫度下制備的CIGS薄膜的透過率[21]

1.2 濺射功率

CIGS薄膜中各個元素的原子量不同，擴散速率也不同，因此當濺射功率改變時，元素分布和含量也會發生變化。Bai等[23]研究了直流濺射功率(50~400 W)對室溫下生長CIGS薄膜成分分布的影響：隨著濺射功率的增加，平均沉積速率逐漸增加，而且薄膜由富Cu態轉變為貧Cu態（如圖2所示），與Yu等[24]報道的結果一致。貧Cu態的薄膜會提高材料的開路電壓，從而提高電池的光電轉換效率[25-26]，而富Cu態的薄膜會增加內部結構的復合中心，影響電池性能。作者的實驗結果發現：濺射功率低于100 W時，薄膜表面容易析出Cu等雜相；濺射功率高于100 W時，會導致靶材受熱不均勻，表面出現皸裂的現象。

圖2 不同濺射功率下CIGS薄膜的原子比[23]

1.3 工作氣壓

較低的工作氣壓下，粒子與氣體間的碰撞較少，到達襯底表面的粒子能量較高，表面遷移能力較強，所以得到的薄膜較致密，晶粒尺寸較大[6,27]。Kong等[28]發現隨著工作氣壓的增加(0.4，1.0，1.6，2.2 Pa)，薄膜表面粗糙度降低(11.36，8.95，6.54，5.12 nm)，晶粒尺寸減小。并有研究報道，吸收層薄膜的晶粒尺寸越大，電池的轉換效率越高[29-30]。李光旻等[31]研究了工作氣壓(0.3~1.3 Pa)對CIGS電池轉換效率的影響，發現在較高的工作氣壓下，晶粒較小，且CIGS薄膜表面容易出現CuInSe2和CuGaSe2兩相分離的現象，導致電池轉換效率降低。作者認為工作氣壓較高時，Ar粒子阻礙銅、銦、鎵、硒原子聚集的概率增加，導致薄膜的晶粒減小。而具有較小晶粒尺寸的薄膜中晶界所占比例較高，因此電池的光電轉換效率降低。同時，由于Ar粒子的阻擋作用增強，銦、鎵原子分開的可能性增加，就容易出現CuInSe2和CuGaSe2兩相分離的現象，這也會導致電池轉換效率降低。

2 組成調控

CIGS薄膜成分較為復雜，其組成對薄膜的性能起著重要的作用。其中，硒元素易揮發，鎵元素可以調節CIGS的禁帶寬度，而且硒元素和鎵元素的含量和分布對薄膜的光電性能影響顯著。所以，調控CIGS薄膜組成成為提高其光伏性能的一條途徑。

2.1 硒含量

由于Se具有易揮發、密度小等特點，濺射制備的CIGS薄膜經常出現貧硒現象[13, 16-17]。這種貧硒態的薄膜中存在的缺陷能級較多，復合中心比較密集，增加了載流子的復合概率，導致光生電流下降，從而降低CIGS薄膜電池的轉換效率。因此，調控Se的含量成為提高CIGS薄膜電池轉換效率的一個重要手段和研究重點。根據Se元素的調控方式不同，針對磁控濺射法制備CIGS薄膜主要有后硒化法和一步濺射法兩種措施。

2.1.1 后硒化法

后硒化法就是先磁控濺射一定化學配比的Cu-In-Ga(CIG)多元合金靶材（或共濺射Cu-In、Cu-Ga兩個二元靶或Cu、In、Ga三個單靶），得到CIG預制層后再硒化的方法[6,17,32-33]。其中，硒化方法主要有H2Se氣體硒化法[16,34]和固態硒源硒化法[35]，這兩種方法均可明顯改善CIGS薄膜的缺陷結構并提高電池轉換效率。

H2Se氣體分子熱運動能力較強，在一定的溫度下發生分解產生的Se粒子易與CIG預制層反應生成一定配比的CIGS。Schulte等[36]利用H2Se氣體硒化，通過改變Ar和H2Se的流量比值來控制H2Se的量，使其與CIG充分反應，在摻Na襯底上生長出光電轉換效率為12.9%的CIGS薄膜電池。但H2Se屬于有毒氣體，對人體和環境都有不同程度的傷害，故大多數學者傾向于使用固態硒源硒化法。

固態Se粉因溫度升高而揮發并與CIG預制層反應，硒化退火溫度和退火時間將決定Se在薄膜中的分布。在較高的退火溫度下，在GIGS和Mo的界面處容易出現MoSe、In2Se3、Ga2Se3等雜相[37]。退火時間較短情況下容易出現Cu-Se相，并且影響薄膜的載流子遷移率和電池的光電轉換效率（如圖3所示）[38]。多數研究者采用低溫和高溫兩步硒化退火[27, 39-40]。例如：李光旻等[31]在250℃保溫10 min和550℃保溫20 min，得到Se均勻分布的薄膜。另外，固源Se粉是CIGS薄膜中Se的主要來源，其用量將會影響CIGS薄膜中Se的含量。例如：Hu等[41]采用50 mg的Se粉硒化退火得到CIGS吸收層薄膜，薄膜中Se質量分數達到58.14%，光電轉換效率為10.33%。所以，Se粉的處理在后硒化過程中具有關鍵作用，并對CIGS薄膜電池的光電轉換效率產生影響。

圖3 不同退火時間下CIGS薄膜的I-V曲線[38]

后硒化法作為一種傳統的方法，所得薄膜成分容易控制、表面比較平整，因而被普遍采用。但H2Se有毒氣體的污染和復雜的硒化環節是其不足之處，因此需尋求更加簡單的方法。

2.1.2 一步濺射法

一步濺射法是指在濺射過程中就存在含有硒元素的單質靶或合金靶參與的方法。相比于后硒化法而言，省去了硒化的工藝環節，主要有四單源共濺射[42]、二元化合物共濺射[43]、四元合金單靶濺射[44]等途徑。

由于各個元素的原子量不同，被轟擊出來的粒子沉積速率不同，且Se易揮發，這就導致了采用一步濺射法時，濺射薄膜中的原子比與靶材的原子比存在差異。所以，如何增加Se的含量成為一步濺射法的研究重點。表1給出了幾位研究者改善Se含量的方法。其中，Yan等[43]和Li等[45]從靶材的角度來解決Se的不足，分別用In2Se3靶和富硒的CIGS靶來調控Se的含量，薄膜表現出較好的電學性能。與前兩種方法不同，Posada等[46]設計了一種一步共濺射法裝置：采用Cu靶位、In靶位、Cu-Ga靶位和一個Se真空室。通過控制Se真空室的工作條件來調節CIGS薄膜中的硒含量，從而一步法直接得到了光電轉換效率為10.3%的CIGS薄膜電池。

表1 改善薄膜中Se含量的幾種方法

Tab.1 Several methods to improve Se content

一步濺射法的優點是可以通過一步濺射得到適用于太陽能薄膜電池的光吸收層CIGS薄膜材料，既能夠合理調節各元素比例，又免去了繁瑣的傳統后硒化工藝；缺點是采用多靶濺射時，由于硒和硒化合物的熔點過低，在濺射過程中由于熱量的積累，基板和靶材溫度升高會引起硒及相應物質的揮發，毒化其他濺射源，容易阻礙濺射的連續性。

2.2 Ga濃度梯度

由于Ga和In元素的擴散系數存在較大差異，因此磁控濺射時易出現薄膜中Ga梯度分布現象。圖4是沿薄膜深度方向Ga的梯度分布示意圖。由圖可見：在不同的深度處，Ga含量不同并導致帶隙梯度分布。同一薄膜樣品由于帶隙的不同將會對太陽光譜做出不同的響應，從而更好地匹配太陽光。當Ga含量最低時（圖中曲線最低點），意味著帶隙值最低，紅外光透過薄膜表面后會在帶隙值較小的薄膜內部被吸收，而高能量光子會在帶隙值較大的薄膜表面被吸收，這樣會使光子吸收效率得到較大提升。開路電壓主要由空間電荷區的帶隙決定，而短路電流由整體最小帶隙值決定[47-48]，帶隙梯度分布可以提高開路電壓（較大帶隙值）和短路電流（較小帶隙值），從而在根本上提高電池的轉換效率。

圖4 CIGS薄膜中Ga梯度分布與能帶結構關系示意圖[49]

為了研究硒化過程中Ga梯度形成的機理，Mainz等[50]在硒化過程中對CIGS薄膜的相位進行了實時分析，發現當CuInSe2形成時，在富鎵的金屬層出現Ga積聚，并得到開路電壓oc=536 mV、光電轉換效率為14.2%的CIGS薄膜電池。Sung等[48]則研究了硒化退火溫度對Ga梯度的影響，利用CuGa合金和純金屬In兩個靶材濺射沉積得到預制層，然后熱蒸發沉積Se層，形成SLG/CuGa/In/Se堆積層，最后在230~550℃范圍內硒化退火，并發現：擴散速率較大的In在CuGa層和Se層均存在；而Ga的擴散速率較低，在低溫下主要出現在靠近基片的富Ga層，隨著退火溫度的升高Ga向薄膜表面開始擴散，形成均勻、致密、大晶粒的CIGS薄膜。退火溫度對Ga的擴散速率有重要影響，從而導致Ga分布的改變，這與北京大學毛啟楠等[51]報道的相一致。內蒙古大學的齊彬彬等[52]在薄膜縱向濺射沉積不同Ga含量的CuIn1–xGaSe2多層薄膜，最終得到雙梯度帶隙結構薄膜，其帶隙寬度最小值在膜內1/3到1/2處為1.34 eV，上表面帶隙為1.43 eV，下表面為1.47 eV。筆者利用三個不同In/Ga比例的靶材在鍍有Mo層的鈉鈣玻璃上濺射沉積不同鎵含量的CIGS薄膜，發現薄膜的光電轉換效率隨In/Ga比值的增加而降低。這進一步說明了Ga含量的梯度分布對電池的光電轉換效率具有重要作用。

Ga梯度分布能夠直接導致薄膜帶隙的梯度變化，但研究學者們對Ga梯度分布是否能夠影響電池性能的看法仍存在爭議，一般認為原因如下：帶隙分布與電池光電轉換效率的關系尚不明確，且沒有理論模型得以支持；在薄膜制備中，鎵梯度不容易精確控制，重復性不好，而且影響電池效率的因素很多，鎵梯度產生的影響往往容易被忽略。

3 結束語

磁控濺射已成為制備CIGS薄膜的重要方法，人們在Ga梯度分布、硒含量調控以及工藝優化等方面開展了大量工作并取得了可喜的進展。在一定范圍內，低的襯底溫度、高的濺射功率、低的工作氣壓所得薄膜質量相對較好，同時需要控制Se和Ga的含量，才能得到較高轉換效率的薄膜電池。但CIGS薄膜電池的光電轉換效率仍有較大的提升空間，還有許多工作亟待開展。在薄膜成分方面，應尋找替代元素（如Al）以避免稀貴元素In和Ga的限制；在制備工藝方面，需要進一步優化濺射工藝參數以及研究新的磁控濺射制備工藝；在電池結構方面，需優化襯底、電極、窗口層的選擇和制備方法。

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（編輯：陳豐）

Progress on magnetron sputtering and composition regulation of CIGS thin films

WANG Fengqi, FU Chunlin, CAI Wei, GAO Rongli

(School of Metallurgical and Materials Engineering, Chongqing University of Science and Technology, Chongqing 401331, China)

As a sort of solar cell material, copper indium gallium diselenide (Cu(InGa1–x)Se2, CIGS) thin films attached much concerns, and the magnetron sputtering is an important method for its preparation. In this article, recent progresses on CIGS thin films using magnetron sputtering both at home and abroad are reviewed, especially the regulation on its photovoltaic properties. It includes optimization sputtering technology, such as substrate temperature, sputtering power, working pressure, and composition regulation, such as selenium content and gallium gradients. Suggestions and research directions to improve the photoelectric conversion efficiency of CIGS thin film cells are presented.

Cu(InGa1–x)Se2; solar cell; review; thin film; magnetron sputtering; process optimization

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.11.011

TM914.4

A

1001-2028（2016）11-0049-05

2016-09-26

符春林

國家自然科學基金資助（No. 51372283）

符春林（1970－），男，重慶人，教授，主要從事電子材料及元器件研究，E-mail: chlfu@126.com；

王鳳起（1992－），男，山東聊城人，研究生，主要從事光電材料研究，E-mail: wangle_17@126.com。

2016-10-28 14:14:25

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20161028.1414.011.html