CIGS电池镀膜解决方案

1. 背接触层 – 钼

• 技术： 直流磁控溅射

• 工艺： 在氩气环境中，使用高纯度钼靶进行溅射。

• 关键点：

  • 通常沉积两层结构：底层在较低气压下沉积，以获得高附着力和致密的薄膜；上层在较高气压下沉积，以获得粗糙多孔的表面，这有助于改善其与后续CIGS层的粘附并促进钠的扩散。

  • 钼层需要具备低的电阻率和良好的热稳定性，以承受后续CIGS层的高温沉积过程。

2. 核心：吸收层 – CIGS的两种主流PVD技术路线

这是CIGS技术的核心，也是工艺最复杂的部分。

路线A：共蒸发法

• 原理： 将铜、铟、镓、硒四种元素分别放在独立的蒸发源中，在高真空环境下同时蒸发，使其在加热的基底（通常>500°C）上直接反应并外延生长出CIGS薄膜。

• 技术优势：

  • 薄膜质量极高： 可以直接形成晶粒巨大、结晶性好的CIGS薄膜，有利于载流子传输。

  • 易于形成带隙梯度： 通过实时精确控制各元素的蒸发速率，可以在薄膜深度方向上形成Ga/In的成分梯度，从而形成带隙梯度，拓宽光谱响应范围，提升开路电压。这是共蒸发法能实现最高效率（实验室>23%）的关键。

  • 一步成型： 工艺过程相对简单（但仍控制复杂）。

• 挑战：

  • 大面积均匀性控制极难： 在平米级尺寸上保持元素比例的均匀性是一项巨大的工程挑战。

  • 材料利用率较低： 蒸发过程是各向同性的，材料损失较多。

  • 设备与维护成本高： 多源精密控制系统和高真空要求导致设备昂贵。

路线B：溅射后硒化法

• 原理： 这是一个两步法。

  1. 金属预制膜溅射： 首先使用直流磁控溅射在基底上依次沉积Cu/In/Ga的金属层（或使用合金靶，如Cu-Ga靶和In靶），形成特定的“金属预制膜”。

  2. 硒化反应： 然后将带有金属预制膜的基板转移到硒化炉中，在高温（~500°C）和硒蒸汽（通常由H₂Se气体或固态硒蒸发提供）环境中反应，形成CIGS薄膜。

• 技术优势：

  • 卓越的大面积均匀性： 磁控溅射本身就是为大面积均匀沉积而生的技术，因此该路线非常适合大规模工业化生产，是目前产业界的主流选择。

  • 高材料利用率： 溅射的材料利用率远高于蒸发。

  • 工艺分离，易于控制： 将薄膜沉积和晶体生长两个过程分开，简化了单一设备的复杂度。

• 挑战：

  • 难以形成理想的带隙梯度： 对成分梯度的控制不如共蒸发法灵活。

  • 涉及剧毒气体： 如果使用H₂Se作为硒源，其毒性极高，需要严格的安全措施。

  • 工艺步骤增多： 需要额外的硒化处理环节。

3. 缓冲层

• 传统材料CdS： 通常采用化学水浴法，非PVD。

• 无镉PVD解决方案：

  • 技术： 热蒸发 或 原子层沉积

  • 材料： ZnS, In₂S₃, ZnMgO等。

  • 优势： 避免使用有毒的镉，且ALD等PVD技术能沉积出非常均匀致密的超薄层，有利于提高电流密度。

4. 窗口层与透明导电电极

• i-ZnO（本征氧化锌）：

  • 技术： 射频磁控溅射

  • 工艺： 使用高纯度ZnO陶瓷靶，在氩气（或加入少量氧气）中溅射。这一层是高阻的，用于减少缓冲层与TCO之间的界面复合。

• AZO（掺铝氧化锌）：

  • 技术： 射频磁控溅射

  • 工艺： 使用AZO陶瓷靶，在氩气中溅射。通过精确控制工艺参数，可以获得高透光率、高电导率的优质TCO薄膜。