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 薄膜結構及光學特性的影響。研究表明：隨著Ga 含量增加，CIGS 薄膜的光學帶隙增大。優選特性較好的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，最終得到結構、光學特性和電學特性較好的雙梯度帶隙結構薄膜。

　　CuInGaSe2(CIGS)薄膜太陽電池由于具有高的轉換效率、低的制造成本以及性能穩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品。CIGS 是一種四元化合物半導體薄膜，其光學帶隙可以根據不同的Ga/ (In+Ga) 比在1.04 eV~1.67 eV 之間連續可調，利用CIGS 材料的這種特點，人們設計研究了雙梯度帶隙結構，可使Ga/(In+Ga)比在膜內縱深方向按一定分布。這種帶隙結構在膜內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理研究還不多，精確控制膜內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Ga/ (In+Ga)組分，形成縱深方向組分變化的多層CIGS 薄膜，優化了雙梯度帶隙吸收層。

1、實驗

　　采用中科院沈陽科學儀器廠生產的PLD-450型脈沖激光濺射儀，腔室內裝有四個獨立靶位，激光器為美國相干公司(Coherent Inc.) 生產的COMPexPro201 脈沖準分子激光器，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，然后打開擋板，正式開始濺射，通過調節激光的能量以及脈沖次數來控制薄膜的厚度。制備樣品退火條件為：氬氣保護下，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。優選其中質量較好的樣品， 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，最后在氬氣保護下500℃熱處理30 min。

表1 樣品熱處理溫度及編號

　　物相結構分析采用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°，通過與標準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);薄膜電學特性測試采用霍爾效應測試儀(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)進行表面刻蝕，分析縱深方向元素變化情況。

3、結論

　　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，形成雙梯度帶隙結構，制備出了前帶隙差為0.09 eV，后帶隙差為0.13 eV的雙梯度帶隙結構薄膜，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。