CIGS双梯度带隙吸收层的制备及特性
采用脉冲激光沉积(PLD)方法，在钠钙玻璃上沉积不同Ga 含量的CuIn(1-x)GaxSe2 薄膜，研究不同Ga 含量对CIGS 薄膜结构及光学特性的影响。研究表明：随着Ga 含量增加，CIGS 薄膜的光学带隙增大。优选特性较好的CIGS 沉积在同一个钠钙玻璃衬底上，使Ga/(In+Ga)比在薄膜内纵深方向呈先减小后增加的变化。采用XPS 逐层刻蚀分析薄膜的元素组成，利用带隙近似公式得到能带随深度变化情况，最终得到结构、光学特性和电学特性较好的双梯度带隙结构薄膜。
CuInGaSe2(CIGS)薄膜太阳电池由于具有高的转换效率、低的制造成本以及性能稳定而被国际上称为下一代最有前途的廉价太阳电池之一，有望成为未来光伏电池的主流产品。CIGS 是一种四元化合物半导体薄膜，其光学带隙可以根据不同的Ga/ (In+Ga) 比在1.04 eV~1.67 eV 之间连续可调，利用CIGS 材料的这种特点，人们设计研究了双梯度带隙结构，可使Ga/(In+Ga)比在膜内纵深方向按一定分布。这种带隙结构在膜内形成一个指向背电极的自建电场，这个自建电场造成了载流子的漂移运动，增加了载流子输运能力，使得载流子更容易被背电极吸收，增加了光电流，减少背表面复合等，可以提高电池的效率。但是双梯度带隙的制备工艺以及机理研究还不多，精确控制膜内Ga/(In+Ga)还比较困难。本文采用脉冲激光沉积(PLD)方法，精确控制膜内Ga/ (In+Ga)组分，形成纵深方向组分变化的多层CIGS 薄膜，优化了双梯度带隙吸收层。
1、实验
采用中科院沈阳科学仪器厂生产的PLD-450型脉冲激光溅射仪，腔室内装有四个独立靶位，激光器为美国相干公司(Coherent Inc.) 生产的COMPexPro201 脉冲准分子激光器，溅射靶材采用高纯CuIn0.9Ga0.1Se2、CuIn0.7Ga0.3Se2、CuIn0.5Ga0.5Se2 靶材(纯度99.999%)。
将CIGS 靶材和钠钙玻璃衬底固定在相应的样品架上，衬底和CIGS 靶材的距离为5 cm，衬底温度为350℃，系统真空度为6.7×10-5 Pa，激光器工作模式为恒压25 kV，激光能量在650 mJ~690 mJ，频率为10 Hz。每次更换靶材后，需用挡板挡住衬底，溅射1000 个脉冲，以去除靶材表面氧化层和其它杂质，然后打开挡板，正式开始溅射，通过调节激光的能量以及脉冲次数来控制薄膜的厚度。制备样品退火条件为：氩气保护下，温度分别为450℃、475℃、500℃、525℃下热处理30 min,制备出12 组样品如表1。优选其中质量较好的样品， 制备成双梯度带隙吸收层， 先沉积CuIn0.5Ga0.5Se2 薄膜，再沉积CuIn0.7Ga0.3Se2 薄膜，最后沉积CuIn0.5Ga0.5Se2 薄膜，总厚度约为1 μm，最后在氩气保护下500℃热处理30 min。
表1 样品热处理温度及编号
物相结构分析采用X 射线衍射仪( 德国BRUKDR，D8-ADVANCE 型)分析，测试条件为Cukα辐射，λ=0.154187 nm，电压40.0 kV，电流50mA，扫描速率10°/min，扫描范围2θ：10°~80°，通过与标准PDF 卡片对照得到样品的物相。
薄膜表面观测采用扫面电子显微镜(S-3400型，日立牌);横切面形貌观测采用扫面电子显微镜(S-4800 型，日立牌);薄膜成份分析采用能谱仪(Brucker，QUANTAX 200);薄膜透过及反射率测试采用紫外—可见分光光度计(PerkinElmer 公司，Lambda750S); 薄膜厚度测试采用台阶仪(ET3000—I，日本小坂研究所株式会社);薄膜电学特性测试采用霍尔效应测试仪(Ecopia,HMS-3000)。
采用X 射线光电子能谱仪(岛津/KRATOS，AMICUS 型，X 射线源为Mgkα 12 kV、30 mA，灵敏度700 kcps，分辨率FWHM Ag3d5/2 0.8 eV)进行表面刻蚀，分析纵深方向元素变化情况。
3、结论
采用脉冲激光沉积法，在薄膜纵向沉积不同Ga 含量的CuIn(1-x)GaxSe2 多层薄膜，形成双梯度带隙结构，制备出了前带隙差为0.09 eV，后带隙差为0.13 eV的双梯度带隙结构薄膜，薄膜的电阻率为4.1251Ω·cm、载流子浓度为2.586×1017/cm3，可作为高效CIGS 薄膜太阳电池的吸收层。
