離子束濺射制備CuInSe2薄膜的分析利用離子束濺射沉積技術(shù),設計三元復合靶,直接制備CuInSe2(CIS)薄膜。通過X射線衍射儀(XRD)、原子力顯微鏡(AFM)和分光光度計檢測在不同襯底溫度和退火溫度條件下制備的CIS薄膜的微構(gòu)造、表面形貌和光學性能。實驗結(jié)果說明:使用離子束濺射沉積技術(shù)制備的CIS薄膜具有黃銅礦構(gòu)造,在一定的條件下,適當溫度的熱處理可以制備構(gòu)造嚴密、顆粒均勻、致密性和結(jié)晶性良好的CIS薄膜,具有強烈的單一晶向生長現(xiàn)象。

黃銅礦構(gòu)造的CIS薄膜具有優(yōu)良的光吸收與光電轉(zhuǎn)換效率,是作為太陽能電池的最正確吸收材料之一。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)用三個以上的獨立蒸發(fā)源同時向襯底蒸發(fā)Cu,In和Se,反應沉積CIS薄膜。所制備的薄膜質(zhì)量較高。但是,由于蒸發(fā)法無法準確控制元素比例,工藝重復性太低,不適用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn),其原料的利用率低,對于貴金屬來說浪費大,不利于降低成本。現(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合金預制層,然后硒化形成CuInSe2,所以也稱為濺射金屬預制層后硒化法。此方法制備CIS對降低成本、提高成品率、實現(xiàn)大面積制備等具有一定的優(yōu)勢?；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。但是由于銅銦合金層需要開展硒化處理,不能在不破壞真空的條件下一次完成CIS薄膜的制備。20**年Muller等使用射頻濺射法直接制備出了成分符合化學當量的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)展起來的一項濺射技術(shù)。它的優(yōu)點是濺射過程可以控制,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,有利于薄膜構(gòu)造的生成;離子源可控性強,因此用離子束濺射制備薄膜具有良好附著性、低的散射、良好穩(wěn)定性和重復性。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確化學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,通過調(diào)整不同靶的面積改變?yōu)R射成分原子通量和沉積標準成分含量的化合物薄膜。此外,離子源參數(shù)的可調(diào)控性可控制膜層應力問題,對于CIS太陽能電池這種多層構(gòu)造的電池能夠較方便地處理膜層應力問題;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)將有設備簡單、無毒性和可以大面積生產(chǎn)的特點;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合靶,省略硒化工藝,通過改變襯底溫度和退火溫度等條件,直接制備CIS薄膜,并對所制備的CIS薄膜開展微構(gòu)造、表面形貌和光學性能的檢測和分析,研究使用離子束濺射技術(shù)直接制備CIS薄膜的可行性。1、實驗方法

采用FJL520型超高真空雙離子束濺射儀,通過濺射三元復合靶直接制備CIS薄膜。本文設計采用不同面積的三個高純Cu/In/Se靶材復合成為濺射靶,這樣的復合靶便于調(diào)節(jié)沉積形成的CIS薄膜原子配比。沉積時的本底真空為4.5×10-4Pa,工作真空為4.0×10-2Pa。襯底用厚度為3mm、直徑為30mm的k9玻璃,采用超聲波化學清洗。沉積時間90min。在離子源參數(shù)不變的情況下,分別制備了室溫、100、200、300、400℃襯底溫度下沉積的CIS薄膜,并將室溫下沉積的薄膜開展100、200、300、400℃退火熱處理。退火是在薄膜沉積完成后,隨即在真空室開展的。

使用XRD(BRUKER2ax52D82ADVANCE)和AFM(CSPM5000)測量CIS薄膜的構(gòu)造形成和表面形貌。使用Lambda900分光光度計測量薄膜的透射率以分析薄膜的光學性能。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℃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)生成黃銅礦構(gòu)造的多晶,最強衍射峰為(112)、(114/212)、(204/220),與標準譜相符。最強衍射峰并不鋒利,半高寬大,存在明顯的非晶態(tài)相,說明Cu/In/Se沒有完全結(jié)合形成CuInSe2,致使薄膜結(jié)晶狀況差,生長不連續(xù)。當加熱襯底溫度為100℃和200℃時,CIS薄膜黃銅礦構(gòu)造的特征衍射峰(112)十分鋒利,雜質(zhì)峰較少,非晶態(tài)相明顯降低,說明Cu/In/Se大部分結(jié)合形成了CuInSe2,結(jié)晶狀況良好。在200℃圖譜中出現(xiàn)Cu2-xSe特征峰,說明薄膜中Cu和Se的含量較多。當加熱溫度為300℃和400℃時,同樣出現(xiàn)了Cu2-xSe特征峰,且雜質(zhì)峰開始增多,非晶態(tài)相明顯增大,結(jié)晶情況變差。原因是高溫加熱襯底沉積Cu/In/Se時,熔點較低的In/Se大量揮發(fā),從而影響了薄膜的生長。

限于篇幅，文章第二章節(jié)的部分內(nèi)容省略，詳細文章請郵件至作者索要。3、結(jié)論

采用離子束濺射三元復合靶,省略硒化工藝,通過改變襯底溫度和退火溫度等條件,直接制備的CIS薄膜具有黃銅礦構(gòu)造,能帶構(gòu)造與理論相符,當經(jīng)過適當?shù)臒崽幚砗?薄膜內(nèi)部晶體構(gòu)造穩(wěn)定,分布均勻,晶粒生長良好。具有強烈的單一晶向生長現(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C