脉冲激光沉积溅射工艺对CIGS薄膜成分和结构的影响

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)内蒙古大学物理科学与技术学院 作者:何 杰

  采用脉冲激光沉积溅射法在玻璃衬底上制备Cu-In-Ga预制膜,后经硒化、退火处理,得到CIGS薄膜。采用X射线衍射仪表征了薄膜的晶体结构,采用扫描电子显微镜和能量散射谱观察和分析了薄膜的表面形貌和元素成分,采用光电子能谱分析了薄膜表面的化学价态。结果表明,预制膜采用玻璃/In/Cu-Ga的叠层顺序且溅射脉冲数为In靶60000,Cu-Ga靶50000的溅射方式,可制备出沿(112)晶向择优生长的CIGS薄膜。

  关键词:脉冲激光沉积;预制膜;CIGS薄膜;硒化

  Cu( In, Ga) Se2 ( CIGS) 薄膜太阳电池由于其性能稳定, 光电转化效率高, 抗辐射能力强, 禁带宽度可调并且制造成本低而得到光伏界的重视, 是最有前途的新一代太阳电池之一。2010 年8 月, 德国太阳能和氢能研究所研制的小面积CIGS 薄膜太阳电池的转换效率已经达到2013%[1] , 是目前单结薄膜太阳电池转换效率的最高记录。

  CIGS 太阳电池一般由ZnO 窗口层、CdS 缓冲层、CIGS 吸收层、Mo 电极和玻璃衬底构成[2] 。CIGS吸收层是四种元素反应生成的非化学计量比的四元化合物, 为直接带隙半导体薄膜材料[3] , 其禁带宽度在1102~ 1170 内连续可调[4] 。

  目前, CIGS 薄膜的制备方法主要有多元共蒸发法、金属预制膜后硒化法、电沉积法、喷雾高温分解法、激光诱导合成法、离子束溅射法等[5-7] 。脉冲激光沉积(PLD) 技术制备CIGS 薄膜是近年来发展起来的一种方法[8] , 是目前较有前途的制膜技术之一,它通过非加热方法控制电子能量分布, 是一种非平衡的制膜方法, 该技术简单且有很多优点[9] 。但是采用PLD 溅射法制备CIGS 薄膜的工艺尚不完善,本实验拟采用PLD 溅射的方法在玻璃衬底上制备双层预制膜, 研究预制膜叠层顺序、溅射比例对CIGS 薄膜晶体结构、表面形貌以及成分的影响, 以期摸索出最佳制备CIGS 薄膜的工艺。

实验原料及设备

  溅射靶材采用北京有色金属研究总院制备的高纯In 靶( 纯度99199% ) 和Cu-Ga 合金靶( 纯度99199%, 其中Ga 占总质量的30%) , 靶材直径均为50 mm, 厚度均为5 mm; 硒采用北京有色金属研究总院制备的固态Se 丸, 纯度为991999%。溅射仪为中科院沈阳科学仪器厂生产的PLD-450 型脉冲激光溅射仪, 有4 个独立靶位, 本底真空度可达617 @ 10- 5Pa; 激光器为美国相干公司( Coherent Inc. ) 生产的COMPexPro201 脉冲准分子激光器, 工作电压为18~27 kV, 能量为250~ 700 mJ/ 脉冲。

PLD 溅射制备Cu-In-Ga 预制膜

  首先将靶材和清洁的玻璃衬底固定在相应的样品架上, 调整衬底和靶材的距离为315 cm, 用挡板将衬底和靶材隔开, 旋紧阀门, 关闭真空室, 启动真空系统, 抽真空约30 min 后, 系统真空度可达617 @10- 5Pa, 后调节激光器工作模式为恒能, 针对不同的靶材选择不同的溅射能量: Cu-Ga 合金靶, 350 mJ/脉冲; In 靶, 250 mJ/ 脉冲。每次更换靶材后, 需先用挡板挡住衬底, 然后溅射2000 个脉冲, 以去除靶材表面氧化层和其他靶材的羽辉在该靶材表面产生的杂质, 而后打开挡板, 正式开始溅射。通过调节靶材射的先后顺序和溅射脉冲数, 在玻璃衬底上制备出不同叠层顺序、不同组分配比的Cu-In-Ga 预制膜, 具体溅射参数如表1。

  采用PLD 溅射方法, 在玻璃衬底上, 先溅射In后溅射Cu-Ga 得到双层预制膜, 然后进行硒化(250 e ) 、退火( 550 e ) 处理, 溅射脉冲数为In 靶60000, Cu-Ga 靶50000 时, 可制备出沿( 112) 取向择优生长的CIGS 薄膜, 其晶化程度较高, 薄膜表面致密、均匀, 且组分配比在理想范围之内, 适合做高效CIGS 薄膜太阳电池的吸收层材料。

  Abstract: The Cu(In,Ga)Se2(CIGS) composite films were grown by pulsed laser deposition and sputtering selenization on glass substrates.The impacts of the growth conditions,including the sputtering power,pressure,annealing temperature,and sputtering pulse numbers,on the microstructures and properties of the CIGS films were evaluated.The CIGS films were characterized with X-ray diffraction,scanning electron microscopy,dispersive energy spectroscopy,and X-ray photoelectron spectroscopy.The results show that the precursor layer with a sequence of glass/Cu-Ga and the number of sputtering pulses are the major influencing factors.For instance,the CIGS films with the(112) preferential growth orientation were obtained after sputtering the indium target for 60,000 pulses,and the copper-gallium target for 50,000 pulses,respectively.

  Keywords: Pulsed laser deposition,Precursor layer,CIGS thin films,Selenization

  基金项目: 内蒙古自然科学重点项目(2010Zd01);; 内蒙古高等学校自然科学重点项目(NJ09002)

  参考文献:
  [1]http://www.pv-magazine.com/news/details/beitrag/re-searchers-announce-new-203-percent-world-record-cigs-so-lar-cell-efficiency-100000748/
  [2]Jean-Francüois Guillemoles,Uwe Rau,Leeor Kronik,et al.Stability Issues of Cu(In,Ga)Se2Based Solar Cells[J].JPhys Chem,2000,B104:4849-4862
  [3]Karg F H.Development and Manufacturing of CIS Thin FilmSolar Modules[J].Solar Energy Materials and Solar Cells,2001,66:645-653
  [4]郑麒麟,庄大明,张弓,等.溅射功率对ClGS吸收层前驱膜成分和结构的影响[J].太阳能学报,2006,27(11):1108-1112
  [5]Repins Ingrid,Contreras Miguel A,et al.19.9%EfficientZnO/CdS/Cu Cu(In,Ga)Se2Solar Cell with 81.2%FillFactor[J].Prog Photovolt:Res Appl,2008,16:235-239
  [6]Sakurai K,Scheer R,Nakamura S,et al.Structural Changes ofCIGS during Deposition Investigated by Spectroscopic LightScattering:A Study on Ga Concentration and Se Pressure[J].Solar Energy Materials&Solar Cells,2006,90:3377-3384
  [7]范平,郑壮豪,张东平,等.离子束溅射制备CuInSe2薄膜的研究[J].真空科学与技术学报,2009,29(6):659-663
  [8]Levoska J,Leppavuori S,Wang F,et al.Pulsed Laser AblationDeposition of CuInSe2and CuIn1-xGaxSe2Thin Films[J].Physica Scripta,1994,54:244-247
  [9]敖育红,胡少六,龙华,等.脉冲激光沉积薄膜技术研究新进展[J].激光技术,2003,27(5):454-459
  [10]郑麒麟,庄大明,张弓,等.溅射功率对ClGS吸收层前驱膜成分和结构的影响[J].太阳能学报,2006,27(11):1108-1112
  [11]韩东麟,张弓,庄大明,等.载气对CIGS薄膜结构和表面形貌的影响[J].真空科学与技术学报,2008,28(3):235-239
  [12]Rau U,Schmidt M,Jasenek A,et al.Electrical Characteriza-tion of Cu(In,Ga)Se2Thin-Film Solar Cells and the Role ofDefects for the Device Performance[J].Solar Energy Materi-als&Solar Cells,2001,67(1/2/3/4):137-143
  [13]Huang C H.Alternative Buffer Layers,Device Modeling and Characterization of Copperindium-Diselenide Based Thin-Film Solar Cell[D].Florida:University of Florida,2002:13-15

  脉冲激光沉积溅射工艺对CIGS薄膜成分和结构的影响为真空技术网首发,转载请以链接形式标明本文首发网址。

  http://www.chvacuum.com/application/film/062600.html

  与 真空镀膜 脉冲激光沉积 预制膜 CIGS薄膜 硒化 相关的文章请阅读:

  真空镀膜http://www.chvacuum.com/application/film/