利用離子束濺射沉積技術(shù)

1、利用離子束濺射沉積技術(shù)，設(shè)計(jì)三元復(fù)合靶，直接制備CuInSe2 (CIS)薄膜。通過(guò) X射線衍射儀(XRD)、原子力顯微鏡(AFM)和分光光度計(jì)檢測(cè)在不同襯底溫度和 退火溫度條件下制備的CIS薄膜的微結(jié)構(gòu)、表面形貌和光學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表 明:使用離子束濺射沉積技術(shù)制備的CIS薄膜具有黃銅礦結(jié)構(gòu)，在一定的條件下, 適當(dāng)溫度的熱處理可以制備結(jié)構(gòu)緊密、顆粒均勻、致密性和結(jié)品性良好的CIS薄 膜，具有強(qiáng)烈的單一晶向生長(zhǎng)現(xiàn)象。黃銅礦結(jié)構(gòu)的CIS薄膜具有優(yōu)良的光吸收與光電轉(zhuǎn)換效率，是作為太陽(yáng)能 電池的最佳吸收材料之一。CIS薄膜的制備方法很多，目前使用較多的是共蒸發(fā) 法和后硒化法。共蒸發(fā)法是在真空室內(nèi)用三

2、個(gè)以上的獨(dú)立蒸發(fā)源同時(shí)向襯底蒸發(fā) Cu , In和Se ,反應(yīng)沉積CIS薄膜。所制備的薄膜質(zhì)量較高。但是，由于蒸發(fā)法 無(wú)法精確控制元素比例，工藝重復(fù)性太低，不適用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，其原料的利 用率低，對(duì)于貴金屬來(lái)說(shuō)浪費(fèi)大，不利于降低成本?，F(xiàn)階段作為生產(chǎn)線生產(chǎn)的CIS 薄膜是使用后硒化法制備的，后硒化法是先使用磁控濺射沉積CuIn合金預(yù)制層, 然后硒化形成CuInSe ,所以也稱(chēng)為濺射金屬預(yù)制層后硒化法。此方法制備CIS 對(duì)降低成本、提高成品率、實(shí)現(xiàn)大面積制備等具有一定的優(yōu)勢(shì)?；跒R射法的后 硒化法制備的薄膜性能穩(wěn)定性好而更適用于生產(chǎn)，所以濺射法已經(jīng)成為了主流。 但是由于銅鋼合金層需要進(jìn)行硒化處

3、理，不能在不破壞真空的條件下一次完成 CIS薄膜的制備。2006年Muller等使用射頻濺射法直接制備出了成分符合化 學(xué)當(dāng)量的CIS薄膜，此方法省略硒化工藝,在真空室內(nèi)不破壞真空的條件下,一 次完成CIS薄膜電池元器件的制備。研究濺射法直接制備CIS薄膜已經(jīng)成為制 備高質(zhì)量、低成本和大面積集成太陽(yáng)電池組件的突破口。離子束濺射是在磁控濺射技術(shù)之后發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)濺射技術(shù)。它的優(yōu)點(diǎn)是濺 射過(guò)程可以控制，離子能量和入射角度都可以調(diào)節(jié)和控制,并且基片不受離子從 靶面反射而引起的輻射損傷。利用高能離子流濺射出的膜料離子能量高,有利于 薄膜結(jié)構(gòu)的生成;離子源可控性強(qiáng)，因此用離子束濺射制備薄膜具有良好附著性、

4、 低的散射、良好穩(wěn)定性和重復(fù)性。保證膜的致密、均勻，易于控制。近年,離子束 濺射沉積技術(shù)更加注重研究具有準(zhǔn)確化學(xué)配比的多元化合物薄膜,沉積多成分薄 膜可以使用不同材料制成塊靶,通過(guò)調(diào)整不同靶的面積改變?yōu)R射成分原子通量和 沉積標(biāo)準(zhǔn)成分含量的化合物薄膜。此外，離子源參數(shù)的可調(diào)控性可控制膜層應(yīng)力 問(wèn)題，對(duì)于CIS太陽(yáng)能電池這種多層結(jié)構(gòu)的電池能夠較方便地處理膜層應(yīng)力問(wèn) 題;隨著大口徑離子源研究得深入和離子束濺射沉積技術(shù)的完善,采用離子束濺 射沉積CIS薄膜技術(shù)將有設(shè)備簡(jiǎn)單、無(wú)毒性和可以大面積生產(chǎn)的特點(diǎn)；因此，離 子束濺射沉積技術(shù)具有制備高品質(zhì)CIS薄膜的條件。本文首次采用離子束濺射三元復(fù)合靶，省略硒化

5、工藝,通過(guò)改變襯底溫度和 退火溫度等條件，直接制備CIS薄膜,并對(duì)所制備的CIS薄膜進(jìn)行微結(jié)構(gòu)、表面 形貌和光學(xué)性能的檢測(cè)和分析,研究使用離子束濺射技術(shù)直接制備CIS薄膜的 可行性。1、實(shí)驗(yàn)方法采用FJL520型超高真空雙離子束濺射儀，通過(guò)濺射三元復(fù)合靶直接制備 CIS薄膜。本文設(shè)計(jì)采用不同面積的三個(gè)高純Cu/In/Se靶材復(fù)合成為濺射靶, 這樣的復(fù)合靶便于調(diào)節(jié)沉積形成的CIS薄膜原子配比。沉積時(shí)的本底真空為4.5 X10 - 4 Pa ,工作真空為4.0 X10 - 2 Pa。襯底用厚度為3mm、直徑為30mm的 k9玻璃,采用超聲波化學(xué)清洗。沉積時(shí)間90min。在離子源參數(shù)不變的情況下，

6、分別制備了室溫、100、200、300、400 C襯底溫度下沉積的CIS薄膜,并將室 溫下沉積的薄膜進(jìn)行100、200、300、400 C退火熱處理。退火是在薄膜沉積完 成后，隨即在真空室進(jìn)行的。使用 XRD (BRUKER2ax52D82ADVANCE)和 AFM(CSPM5000)測(cè)量 CIS 薄膜的結(jié) 構(gòu)形成和表面形貌。使用Lambda900分光光度計(jì)測(cè)量薄膜的透射率以分析薄膜 的光學(xué)性能。2、結(jié)果與討論2.1、XRD 分析圖1和圖2分別是室溫、100、200、300、400 C襯底溫度下濺射沉積的 CIS薄膜的XRD圖譜。圖1襯底溫度為室溫下制備CIS薄膜的XRD圖譜 圖2 不同襯底溫

7、度制備的CIS薄膜的XRD衍射譜由圖1和圖2可知,室溫下沉積的CIS薄膜已經(jīng)生成黃銅礦結(jié)構(gòu)的多品，最 強(qiáng)衍射峰為（112）、（114/ 212）、（204/ 220），與標(biāo)準(zhǔn)譜相符。最強(qiáng)衍射峰并 不尖銳，半高寬大，存在明顯的非晶態(tài)相，說(shuō)明Cu/ In/ Se沒(méi)有完全結(jié)合形成 CuInSe ,致使薄膜結(jié)品狀況差，生長(zhǎng)不連續(xù)。當(dāng)加熱襯底溫度為100 C和200 C 時(shí),CIS2薄膜黃銅礦結(jié)構(gòu)的特征衍射峰（112）十分尖銳，雜質(zhì)峰較少,非晶態(tài)相明 顯降低，表明Cu/In/ Se大部分結(jié)合形成了 CuInSe，結(jié)品狀況良好。在200 C 圖譜中出現(xiàn)Cu -xSe特征峰，說(shuō)明薄膜中Cu和Se2的含量較多。當(dāng)加熱溫度為 300 C和400 C時(shí)，同樣出現(xiàn)了 Cu - x Se特征峰，且雜質(zhì)峰開(kāi)始增多，非晶態(tài) 相明顯增大,結(jié)品情況變差。原因是高溫加熱襯底沉積Cu/ In/ Se時(shí)，熔點(diǎn)較低 的In/ Se大量揮發(fā)，從而影響了薄膜的生長(zhǎng)。限于篇幅，文章第二章節(jié)的部分內(nèi)容省略，詳細(xì)文章請(qǐng)郵件至作者索要。3、結(jié)論采用離子束濺射三元復(fù)合靶，省略硒化工藝，通過(guò)改變襯底溫度和退火溫度 等條件，直接制備的CIS薄膜具有黃銅礦結(jié)構(gòu)，能帶結(jié)構(gòu)與理論相符，當(dāng)經(jīng)過(guò)適 當(dāng)?shù)臒崽幚砗螅∧?nèi)部晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，分布均勻，晶粒生長(zhǎng)良好。具有強(qiáng)烈的單 一晶向生長(zhǎng)現(xiàn)象。在其它工藝參數(shù)一致的條件下,改變襯底溫度和退火溫度對(duì) CIS