脈沖激光沉積濺射工藝對CIGS薄膜成分和結構的影響

　　采用脈沖激光沉積濺射法在玻璃襯底上制備Cu-In-Ga預制膜,后經(jīng)硒化、退火處理,得到CIGS薄膜。采用X射線衍射儀表征了薄膜的晶體結構,采用掃描電子顯微鏡和能量散射譜觀察和分析了薄膜的表面形貌和元素成分,采用光電子能譜分析了薄膜表面的化學價態(tài)。結果表明,預制膜采用玻璃/In/Cu-Ga的疊層順序且濺射脈沖數(shù)為In靶60000,Cu-Ga靶50000的濺射方式,可制備出沿(112)晶向擇優(yōu)生長的CIGS薄膜。

　　關鍵詞：脈沖激光沉積;預制膜;CIGS薄膜;硒化

　　Cu( In, Ga) Se2 ( CIGS) 薄膜太陽電池由于其性能穩(wěn)定, 光電轉化效率高, 抗輻射能力強, 禁帶寬度可調并且制造成本低而得到光伏界的重視, 是最有前途的新一代太陽電池之一。2010 年8 月, 德國太陽能和氫能研究所研制的小面積CIGS 薄膜太陽電池的轉換效率已經(jīng)達到2013%[1] , 是目前單結薄膜太陽電池轉換效率的最高記錄。

　　CIGS 太陽電池一般由ZnO 窗口層、CdS 緩沖層、CIGS 吸收層、Mo 電極和玻璃襯底構成[2] 。CIGS吸收層是四種元素反應生成的非化學計量比的四元化合物, 為直接帶隙半導體薄膜材料[3] , 其禁帶寬度在1102~ 1170 內連續(xù)可調[4] 。

　　目前, CIGS 薄膜的制備方法主要有多元共蒸發(fā)法、金屬預制膜后硒化法、電沉積法、噴霧高溫分解法、激光誘導合成法、離子束濺射法等[5-7] 。脈沖激光沉積(PLD) 技術制備CIGS 薄膜是近年來發(fā)展起來的一種方法[8] , 是目前較有前途的制膜技術之一,它通過非加熱方法控制電子能量分布, 是一種非平衡的制膜方法, 該技術簡單且有很多優(yōu)點[9] 。但是采用PLD 濺射法制備CIGS 薄膜的工藝尚不完善,本實驗擬采用PLD 濺射的方法在玻璃襯底上制備雙層預制膜, 研究預制膜疊層順序、濺射比例對CIGS 薄膜晶體結構、表面形貌以及成分的影響, 以期摸索出最佳制備CIGS 薄膜的工藝。

實驗原料及設備

　　濺射靶材采用北京有色金屬研究總院制備的高純In 靶( 純度99199% ) 和Cu-Ga 合金靶( 純度99199%, 其中Ga 占總質量的30%) , 靶材直徑均為50 mm, 厚度均為5 mm; 硒采用北京有色金屬研究總院制備的固態(tài)Se 丸, 純度為991999%。濺射儀為中科院沈陽科學儀器廠生產(chǎn)的PLD-450 型脈沖激光濺射儀, 有4 個獨立靶位, 本底真空度可達617 @ 10- 5Pa; 激光器為美國相干公司( Coherent Inc. ) 生產(chǎn)的COMPexPro201 脈沖準分子激光器, 工作電壓為18~27 kV, 能量為250~ 700 mJ/ 脈沖。

PLD 濺射制備Cu-In-Ga 預制膜

　　首先將靶材和清潔的玻璃襯底固定在相應的樣品架上, 調整襯底和靶材的距離為315 cm, 用擋板將襯底和靶材隔開, 旋緊閥門, 關閉真空室, 啟動真空系統(tǒng), 抽真空約30 min 后, 系統(tǒng)真空度可達617 @10- 5Pa, 后調節(jié)激光器工作模式為恒能, 針對不同的靶材選擇不同的濺射能量: Cu-Ga 合金靶, 350 mJ/脈沖; In 靶, 250 mJ/ 脈沖。每次更換靶材后, 需先用擋板擋住襯底, 然后濺射2000 個脈沖, 以去除靶材表面氧化層和其他靶材的羽輝在該靶材表面產(chǎn)生的雜質, 而后打開擋板, 正式開始濺射。通過調節(jié)靶材射的先后順序和濺射脈沖數(shù), 在玻璃襯底上制備出不同疊層順序、不同組分配比的Cu-In-Ga 預制膜, 具體濺射參數(shù)如表1。

　　采用PLD 濺射方法, 在玻璃襯底上, 先濺射In后濺射Cu-Ga 得到雙層預制膜, 然后進行硒化(250 e ) 、退火( 550 e ) 處理, 濺射脈沖數(shù)為In 靶60000, Cu-Ga 靶50000 時, 可制備出沿( 112) 取向擇優(yōu)生長的CIGS 薄膜, 其晶化程度較高, 薄膜表面致密、均勻, 且組分配比在理想范圍之內, 適合做高效CIGS 薄膜太陽電池的吸收層材料。

　　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

　　基金項目: 內蒙古自然科學重點項目(2010Zd01);; 內蒙古高等學校自然科學重點項目(NJ09002)

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