多層膜CIA預制層后硒化法制備Cu(In1- xAlx)Se2薄膜的研究

2010-02-14 蘇夢大連交通大學

　　本文用真空蒸發(fā)法在玻璃襯底上蒸鍍Cu- In- Al 多層膜，后采用真空硒化退火獲得Al 含量不同的Cu(In1- xAlx)Se₂多晶薄膜。通過SEM和XRD 微觀形貌結構分析發(fā)現，薄膜中Al 的含量對薄膜的表面形貌和結構有一定影響。Al/(In+Al)比例越大，越容易獲得尺寸較小、分布比較均勻的晶粒。同時Al 含量對薄膜的方阻有一定的影響，Al 含量越高，方阻越大。而且Al 含量的多少可以調節(jié)薄膜的禁帶寬度的大小。

　　近年來，CuInSe₂ 類薄膜太陽能電池以其較高的轉換效率，較低的成本以及較穩(wěn)定的性能備受關注。其中吸收層CIS 類材料是影響電池光電轉換效率的關鍵因素。CuInSe₂為直接帶隙半導體材料，光吸收系數高。研究表明，通過摻雜第三或第四族元素可以增加CuInSe₂ 的禁帶寬度（Eg）和太陽光譜的配合度得到更高的效率。目前，用Ga 部分代替In，用S 代替Se 來提高帶隙已經應用在CIS 類光伏電池吸收層上。

　　Cu（In1- xAlx）Se₂ 是引人注意的黃銅礦型化合物，涵蓋較寬的帶隙范圍，通過適當改變x 值，可以作為CIAS 光伏電池的吸收層。而且由于Cu（In1- xAlx）Se₂涵蓋寬泛的可見光譜，有報道Cu（In1- xAlx）Se₂ 單晶和大量樣品被用作其它光電子設備諸如LED。P .D. Paulson 等人制備成單相的Cu（In1- xAlx）Se₂ 薄膜，并測出Al 所占的比例提高時，薄膜的禁帶寬度Eg 上升。CIAS 禁帶寬度可從1.0～2.7 eV 變化。S. Marsillac ,P . D. Paulson 等人采用四源共蒸的技術制作的Cu（In1- xAlx）Se₂ 薄膜太陽能電池效率達16.9%。由于Al 的價格比較低廉，采用Al部分替代In，不僅可增大禁帶寬度，改善CuInSe2 類薄膜太陽能電池的性能，而且還可以大大降低成本，這也正是本實驗研究用Al 部分代替In ，制備Cu（In1- xAlx）Se₂ 多晶薄膜材料的意義所在。制備CIAS 多晶薄膜的方法有蒸發(fā)法，磁控濺射法，電化學法，分子束外延法等，CIA 金屬預制層多采用襯底加熱的三源共蒸法制備。

　　本實驗使用DMX- 220A 型比較簡單的常規(guī)小型鍍膜設備，采用先真空蒸發(fā)沉積In- Al- Cu 預制層多層膜, 后用自制的真空硒化退火裝置進行硒化退火的方法，來獲得Cu (In1- xAlx)Se₂ 多晶薄膜。然后對其進行檢測分析，研究其中Al含量對薄膜形貌和結構的影響。

1、實驗方法

　　本實驗真空蒸發(fā)所用的實驗設備是DMX- 220A 型真空鍍膜機（極限真空10^－3 Pa），蒸發(fā)源與襯底之間的距離為10 cm。采用真空蒸發(fā)后硒化的方法制備Cu(In1- xAlx)Se₂多層膜。硒化過程采用自制的真空硒化裝置。實驗原料是純度為99.99%的Cu、In、Al、Se 單質材料。實驗中，首先分別把待蒸發(fā)的物質（分別為Cu、In、Al）放在所制鉬舟上，通過電流加熱，使該物質蒸鍍到玻璃基底上，根據所設計的元素原子比，控制蒸發(fā)電流和蒸發(fā)時間，反復蒸鍍，獲得成分不同的In- Al - Cu 多層膜預制層（簡稱CIA 預制層）。圖1 為多層膜結構示意圖。Cu,In,Al 的熔點分別為：1083℃，156.61℃，660℃；根據其熔點，控制其蒸發(fā)電流，用稱重法反復稱量、計算其蒸發(fā)速率，由此掌握每種元素的蒸鍍條件和參數。

In- Al- Cu多層膜示意圖

圖1 In- Al- Cu多層膜示意圖

　　然后，對制備的多層膜進行真空硒化退火。把In- Al- Cu 預制層放在自制的封閉的石墨盒內，當真空度達6×10^{- 3} Pa 時，開始加熱。硒化溫度為230℃,時間為30 min，退火溫度為500℃，時間為30 min，后隨爐冷卻至室溫，從而獲得Cu (In1- xAlx)Se₂ 多晶薄膜樣品（樣品編號071105）。

　　限于篇幅，文章中間章節(jié)的部分內容省略，詳細文章請郵件至作者索要。

3、結論

　　采用在玻璃襯底上真空沉積In- Al- Cu 多層膜、后硒化退火的方法制得了黃銅礦結構的Cu(In1- xAlx)Se₂ 多晶薄膜。SEM 觀察和EDS 能譜說明薄膜形貌和薄膜中Al 元素所占的比例有關。XRD 檢測表明隨著Al 含量的減少，XRD 譜特征峰值有所增加，且半峰寬變小，這說明Al 元素所占比例越小，越容易形成較大的晶粒，也就是Al的含量影響薄膜的結晶性能。方阻測試結果說明，鋁含量越多薄膜的方阻越大。實驗發(fā)現透光率隨薄膜厚度的增加而下降。由薄膜透射率數據計算，當x=0.45,0.59 時，Cu (In1- xAlx)Se₂ 薄膜的禁帶寬度分別為1.88 eV 和2.0 eV，且薄膜的禁帶寬度隨著Al 含量的增加而變大。