Se离子束辅助沉积CIS过程的数值分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州空间技术物理研究所 作者:李学磊

  通过研究连续Se 离子束辅助磁控溅射技术,在柔性聚酰亚胺基底上沉积形成CIS 薄膜的过程,建立了相应的薄膜沉积模型。在此基础上,以离子注入深度效应作为研究对象,从扩散均匀性角度进行模拟计算,并与传统气相原子沉积方法进行比较。通过比较分析,计算出Se 扩散均匀性为90% 时,采用离子束辅助沉积所需的衬底温度明显低于气相原子沉积所需的衬底温度。

引言

  传统的CIS 薄膜太阳能电池的制备过程中,利用单质Se 蒸气或化合物H2Se 气体在真空装置中进行反应沉积。在沉积或硒化过程中,为了制备高质量CIS 太阳能电池,衬底温度一般要求在500 ℃ ~ 600 ℃。目前性能最好的聚酰亚胺也只能承受450 ℃左右的温度,这就对CIS 太阳能电池吸收层在柔性聚酰亚胺上的制备提出了更高的要求。采用Se 离子束辅助磁控溅射沉积技术制备CIS 薄膜太阳能电池,提高反应过程的控制并实现降低衬底温度的目的。离子的轰击以及带电粒子的影响可以显著提高CIS 薄膜太阳能电池的成膜质量,因此,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为离子束辅助沉积技术将成为未来在柔性基底上制备CIS 薄膜太阳能电池的研究方向。

  离子束对薄膜生长过程的影响可以总结为:

  (1) 发生热峰机制作用,入射离子束与吸附原子碰撞时,晶格原子接受的能量低于离位阈值,在原点周围做强烈的振动,形成一个热峰。几个相邻原子发生这种情况,热峰范围扩大,使小范围内的温度升高,从而在一个相对较低的基底温度下获得结晶状态更好的薄膜;

  (2) 离子的注入使沉积物和表面获得更强的粘附并削弱临界面对成膜质量的影响;

  (3) 离子的出现以及离子束对基底的轰击,能显著的改变薄膜成核的临界凝聚压,进而影响沉积过程中薄膜的成核和生长;

  (4) 增强吸附原的表面迁移和扩散,控制成膜表面的形貌。这些效应对薄膜生长动力学产生了比较显著的影响,为在低温下获得高质量的薄膜提供了可能。

  在此基础上,选取离子注入深度效应作为研究对象,从Se 扩散均匀性的角度进行模拟分析,进而估算出采用离子束辅助沉积技术相对于传统气相原子沉积技术所降低的基底温度的数值。

模拟分析

  连续Se 离子束辅助磁控溅射沉积技术制备CIS 薄膜太阳能电池的装置如图1 所示。为了分析离子束辅助对薄膜沉积的影响,采用比较研究的方法。首先对传统的气相原子沉积生成薄膜进行分析,主要发生以下过程: (1) 蒸发原子到达并被吸附在生长表面; (2) 沉积原子的扩散。而对于离子束反应沉积过程,相应的假设其发生如下过程: (1) 离子束注入并停留在一个相对稳定的位置; (2) 注入离子的扩散过程。

连续离子束辅助磁控溅射系统示意图

图1 连续离子束辅助磁控溅射系统示意图

1. Se 离子源; 2. 基底; 3. 圆柱式滚筒; 4. 热源; 5. CuIn 靶; 6. 真空室

结束语

  通过研究离子束辅助沉积与传统气相原子沉积生成CIS 薄膜的过程,从扩散均匀性角度分析,对离子束的注入深度效应进行数值计算。当扩散均匀性相同时,分别估算出两种沉积方式下基底温度的不同取值,理论上证明了采用Se 离子束辅助沉积技术实现了降低基底温度的目的。

  从扩散均匀性角度出发,选取离子注入深度这一影响薄膜生长的因素,对离子束辅助沉积CIS 过程的数值模拟进行了初步尝试性的探索。然而,在实际的薄膜沉积过程中,CIS 薄膜的生长是一个相当复杂的物理化学过程,需要进一步更深入的理论机理研究和实验研究工作,才能掌握薄膜生长的全过程。

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