工作气压对室温磁控溅射CIGS膜的影响

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)西南交通大学 作者:闫 勇

  研究了工作气压对磁控溅射法制备CIGS 薄膜的影响,采用X 射线衍射,扫描电镜,X 射线萤光光谱和X 射线能量色散谱分析了膜层的组织和成分。研究发现,工作气压升高,薄膜沉积速率降低。当工作气压低于0.2 Pa 时,薄膜致密均一;高于0.2 Pa 表面出现Cu2- x Se 相,并随气压升高在膜表面的覆盖面积增大。对气压影响薄膜表面形貌的机理采用成膜动力学理论进行了讨论。

  铜铟镓硒(CIGS) 是一种P 型直接带隙半导体材料,具有高达6×105 cm-1的光吸收系数,仅需微米级的厚度便可吸收99%的太阳光,是第三代太阳能电池的主要材料。CIGS的制备方法有很多,如溅射后硒化法,共蒸发法,合金靶磁控溅射法等。磁控溅射具有沉积速度高、膜层致密、附着性好、大面积均匀性好等特点,可制备高质量的薄膜。国际上已开展采用合金靶一步磁控溅射法制备CIGS薄膜的研究,但制备工艺对CIGS 薄膜的影响尚不明确,需要进一步深入研究。

  为获得高质量的薄膜,需要对溅射工艺参数如:溅射功率,工作气压,靶基距离等进行控制。已有多个课题组细致研究了溅射功率对薄膜的影响: 采用单靶磁控溅射制备CIGS电池时,增加溅射功率能提高电池的转化效率; 溅射功率显著影响CIGS薄膜的组织、成分和性能,溅射功率增加导致沉积的CIGS薄膜的Cu含量减少,In 含量增加。溅射气压影响气体分子的平均自由程,改变沉积粒子的能量,进而影响薄膜的结晶与性能。然而工作气压对CIGS薄膜的影响报道极少,此外S. Rampino指出了室温沉积的薄膜可以揭示薄膜的生长机理,因此本文采用室温磁控溅射方法,在一系列不同Ar气压下制备了CIGS薄膜,研究了薄膜的组织,成分和表面形貌。

  结论

  对不同条件制备的CIGS薄膜组织成分分析表明,工作气压对溅射生长薄膜影响显著,尤其是薄膜的表面形貌。当工作气压低于0.2 Pa 时,薄膜致密均一。工作气压升高,沉积速率降低,并促进Cu-Se岛区生长,0.5 Pa 时,晶粒尺寸最小,最后在表面形成Cu2- xSe 相,破坏薄膜的均一性。其原因是由于工作气压升高,入射原子的平均能量降低,薄膜结晶减少,且表面迁移速度分量增加,形成岛状生长结构,最终Cu2- xSe团簇覆盖在表面。

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