Se離子束輔助沉積CIS過程的數(shù)值分析
通過研究連續(xù)Se 離子束輔助磁控濺射技術(shù)，在柔性聚酰亞胺基底上沉積形成CIS 薄膜的過程，建立了相應(yīng)的薄膜沉積模型。在此基礎(chǔ)上，以離子注入深度效應(yīng)作為研究對(duì)象，從擴(kuò)散均勻性角度進(jìn)行模擬計(jì)算，并與傳統(tǒng)氣相原子沉積方法進(jìn)行比較。通過比較分析，計(jì)算出Se 擴(kuò)散均勻性為90% 時(shí)，采用離子束輔助沉積所需的襯底溫度明顯低于氣相原子沉積所需的襯底溫度。
引言
傳統(tǒng)的CIS 薄膜太陽能電池的制備過程中，利用單質(zhì)Se 蒸氣或化合物H2Se 氣體在真空裝置中進(jìn)行反應(yīng)沉積。在沉積或硒化過程中，為了制備高質(zhì)量CIS 太陽能電池，襯底溫度一般要求在500 ℃ ～ 600 ℃。目前性能最好的聚酰亞胺也只能承受450 ℃左右的溫度，這就對(duì)CIS 太陽能電池吸收層在柔性聚酰亞胺上的制備提出了更高的要求。采用Se 離子束輔助磁控濺射沉積技術(shù)制備CIS 薄膜太陽能電池，提高反應(yīng)過程的控制并實(shí)現(xiàn)降低襯底溫度的目的。離子的轟擊以及帶電粒子的影響可以顯著提高CIS 薄膜太陽能電池的成膜質(zhì)量，因此，真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認(rèn)為離子束輔助沉積技術(shù)將成為未來在柔性基底上制備CIS 薄膜太陽能電池的研究方向。
離子束對(duì)薄膜生長(zhǎng)過程的影響可以總結(jié)為:
(1) 發(fā)生熱峰機(jī)制作用，入射離子束與吸附原子碰撞時(shí)，晶格原子接受的能量低于離位閾值，在原點(diǎn)周圍做強(qiáng)烈的振動(dòng)，形成一個(gè)熱峰。幾個(gè)相鄰原子發(fā)生這種情況，熱峰范圍擴(kuò)大，使小范圍內(nèi)的溫度升高，從而在一個(gè)相對(duì)較低的基底溫度下獲得結(jié)晶狀態(tài)更好的薄膜;
(2) 離子的注入使沉積物和表面獲得更強(qiáng)的粘附并削弱臨界面對(duì)成膜質(zhì)量的影響;
(3) 離子的出現(xiàn)以及離子束對(duì)基底的轟擊，能顯著的改變薄膜成核的臨界凝聚壓，進(jìn)而影響沉積過程中薄膜的成核和生長(zhǎng);
(4) 增強(qiáng)吸附原的表面遷移和擴(kuò)散，控制成膜表面的形貌。這些效應(yīng)對(duì)薄膜生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生了比較顯著的影響，為在低溫下獲得高質(zhì)量的薄膜提供了可能。
在此基礎(chǔ)上，選取離子注入深度效應(yīng)作為研究對(duì)象，從Se 擴(kuò)散均勻性的角度進(jìn)行模擬分析，進(jìn)而估算出采用離子束輔助沉積技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)氣相原子沉積技術(shù)所降低的基底溫度的數(shù)值。
模擬分析
連續(xù)Se 離子束輔助磁控濺射沉積技術(shù)制備CIS 薄膜太陽能電池的裝置如圖1 所示。為了分析離子束輔助對(duì)薄膜沉積的影響，采用比較研究的方法。首先對(duì)傳統(tǒng)的氣相原子沉積生成薄膜進(jìn)行分析，主要發(fā)生以下過程: (1) 蒸發(fā)原子到達(dá)并被吸附在生長(zhǎng)表面; (2) 沉積原子的擴(kuò)散。而對(duì)于離子束反應(yīng)沉積過程，相應(yīng)的假設(shè)其發(fā)生如下過程: (1) 離子束注入并停留在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的位置; (2) 注入離子的擴(kuò)散過程。
圖1 連續(xù)離子束輔助磁控濺射系統(tǒng)示意圖
1. Se 離子源; 2. 基底; 3. 圓柱式滾筒; 4. 熱源; 5. CuIn 靶; 6. 真空室
結(jié)束語
通過研究離子束輔助沉積與傳統(tǒng)氣相原子沉積生成CIS 薄膜的過程，從擴(kuò)散均勻性角度分析，對(duì)離子束的注入深度效應(yīng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。當(dāng)擴(kuò)散均勻性相同時(shí)，分別估算出兩種沉積方式下基底溫度的不同取值，理論上證明了采用Se 離子束輔助沉積技術(shù)實(shí)現(xiàn)了降低基底溫度的目的。
從擴(kuò)散均勻性角度出發(fā)，選取離子注入深度這一影響薄膜生長(zhǎng)的因素，對(duì)離子束輔助沉積CIS 過程的數(shù)值模擬進(jìn)行了初步嘗試性的探索。然而，在實(shí)際的薄膜沉積過程中，CIS 薄膜的生長(zhǎng)是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的物理化學(xué)過程，需要進(jìn)一步更深入的理論機(jī)理研究和實(shí)驗(yàn)研究工作，才能掌握薄膜生長(zhǎng)的全過程。
