CIGS銅銦合金薄膜的制備及其后硒化處理

銅銦合金薄膜的制備及其后硒化處理張坤2010-01-17研究背景11結(jié)果與討論13下一步工作計劃14實驗研究12CuIn1-xGaxSe2薄膜太陽電池結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：由背電極、吸收層、緩沖層、窗口層和頂電極構(gòu)成。基底:玻璃吸收層,CIGSS,1-2μm背電極,Mo,1μm窗口層,ZnO,0.5μm緩沖層,CdS,50nm一.研究背景電化學(xué)沉積法制備CIGS因其低溫廉價而成為我們太陽能組的研究重點。但是由于刻蝕劑的原因，極大限制了我們在電沉積器件方面的研究；本學(xué)期我們嘗試采用濺射銅銦合金后硒化法制CuInSe2，目的是獲得一定效率器件（本實驗由我和秦勤共同完成）。一.研究背景二.實驗研究Cu-In合金預(yù)制層的制備；金屬預(yù)制層后硒化雙溫區(qū)管式氣氛爐金屬預(yù)制層硒化金屬預(yù)制層蒸鍍硒后快速熱處理濺射功率對Cu-In合金成分的影響Cu，In靶濺射功率的選擇合金的Cu/In比在一定程度上與靶材濺射功率比成線性關(guān)系；選取Cu靶功率為20W，In靶功率為47W，可以獲得成分理想的預(yù)制層。樣品編號CI—1CI—2CI—3CI—4CI—5Cu靶功率/W2020202020In靶功率/W2030405060三.實驗結(jié)果與討論Cu-In合金預(yù)制層工藝探索濺射時間對Cu-In合金薄膜厚度的影響時間/min1020304050薄膜厚度/nm293412534587616濺射時間與薄膜厚度關(guān)系薄膜的厚度與濺射時間成一定正比關(guān)系選取40min作為濺射時間，即可獲得接近600nm的預(yù)制層Cu-In合金預(yù)制層工藝探索Cu-In合金薄膜XRD分析在40.40°和73.00°的強峰代表Mo峰在29.45°和42.07°的位置上的峰對應(yīng)于Cu11In9相表明采用共濺射方法制備Cu-In合金時，合金成分并非簡單的單質(zhì)Cu和單質(zhì)In的疊加，而是已經(jīng)形成合金化合物Cu-In合金預(yù)制層工藝探索Cu-In合金薄膜SEM分析合金表面致密平整，說明此工藝條件下制備的預(yù)制層已達到進行后硒化實驗標準。Cu-In合金預(yù)制層工藝探索硒化工藝探索雙溫區(qū)管式氣氛爐硒化工藝探索-1襯底溫度硒源溫度選擇襯底溫度為550℃；硒源溫度為250℃，升溫速度為10℃/min；硒化時間為40min硒化工藝探索雙溫區(qū)管式氣氛爐硒化工藝探索-1CIS薄膜不均勻，有脫膜現(xiàn)象In損失嚴重,Se含量嚴重不足程序降溫，控制降溫速度提高硒源溫度，以增加Se氣壓

結(jié)果

對策硒化工藝探索雙溫區(qū)管式氣氛爐硒化工藝探索-2襯底溫度硒源溫度襯底溫度為550℃；改變硒源溫度為300℃；硒化時間為40min,控制降溫速度10℃/min降到250℃硒化工藝探索雙溫區(qū)管式氣氛爐硒化工藝探索-2Cu2-xSe雜相降低襯底溫度，以減少In損失及改善脫膜現(xiàn)象采用分段升溫法輕微脫膜現(xiàn)象，采取程序降溫在一定程度上可以改善薄膜的形貌Se的量有所增多，但仍然偏少，In依然有所減少薄膜表面有很多白色晶粒

結(jié)果

對策硒化工藝探索雙溫區(qū)管式氣氛爐硒化工藝探索-3襯底溫度硒源溫度沒有脫膜起皮現(xiàn)象Se/(Cu+In)=0.58，Se含量還是偏少選擇襯底溫度為℃；采用分段升溫法，低溫合金化30min，然后再高溫硒化40min延長硒化時間，以促進硒化反應(yīng)

結(jié)果

對策硒化工藝探索雙溫區(qū)管式氣氛爐硒化工藝探索-4襯底溫度硒源溫度Se/(Cu+In)=0.77，Se量有所增加,但還是偏少延長硒化時間至80min，其他條件不變

結(jié)果

對策繼續(xù)延長硒化時間硒化工藝探索雙溫區(qū)管式氣氛爐硒化工藝探索-5襯底溫度硒源溫度延長硒化時間至120min，其他條件不變Cu:In:Se=27.63:25.00:47.46，接近CuInSe2的化學(xué)計量比

結(jié)果硒化工藝探索雙溫區(qū)管式氣氛爐硒化工藝探索-526.59°，44.10°，52.34°三處峰為CuInSe2峰7.73°，44.59°，52.97°三處可疑有Cu2-xSe峰172.82cm-1和229.98cm-1處對應(yīng)CuInSe2相樣品中CuInSe2為主相硒化工藝探索雙溫區(qū)管式氣氛爐硒化工藝探索-5此工藝條件下制備的CIS薄膜符合要求但是我們采用相同的工藝，沒有重現(xiàn)出類似結(jié)果可能是Ar流量無法精確控制，及硒壓的不可控所致，在此基礎(chǔ)上探索了蒸鍍硒后快速熱處理工藝硒化工藝探索蒸鍍硒后快速熱處理工藝探索-1選擇升溫速率為10℃/s；硒化溫度為550℃，硒化時間為90s硒化工藝探索蒸鍍硒后快速熱處理工藝探索-1薄膜也有脫膜起皮現(xiàn)象Se/(Cu+In)=0.31，Se的量嚴重不足降低硒化溫度

結(jié)果

對策硒化工藝探索蒸鍍硒后快速熱處理工藝探索-2降低硒化溫度為500℃；升溫速率為10℃/s；，硒化時間為90s同樣有脫膜起皮現(xiàn)象Se的量仍不足

結(jié)果

對策升溫過快導(dǎo)致蒸鍍的Se揮發(fā)且容易引起脫膜現(xiàn)象降低升溫速率硒化工藝探索蒸鍍硒后快速熱處理工藝探索-3降低升溫速率為5℃/s；硒化溫度500℃，硒化時間90s該條件制得的薄膜仍然有脫膜起皮現(xiàn)象Se/(Cu+In)=0.85，硒的含量有所提高

結(jié)果對策增加硒化時間硒化工藝探索蒸鍍硒后快速熱處理工藝探索-4硒化時間延長至為180s薄膜脫落起皮的現(xiàn)象還是沒有改善Cu/In/Se=21.26/29.25/49.49，已經(jīng)接近CuInSe2的化學(xué)計量比

結(jié)果硒化工藝探索蒸鍍硒后快速熱處理工藝探索-54片白玻璃上采用相同的濺射工藝制備Cu-In合金，然后進行蒸鍍硒后快速熱處理CIS薄膜均沒有脫膜起皮現(xiàn)象，只是硒含量略多在嘗試了改變硒化時間，硒化溫度和升溫速率等一系列條件后薄膜脫落起皮現(xiàn)象都沒有得到改善推測可能是Mo層的影響，因為快速熱處理對Mo和玻璃基底結(jié)合力的要求較雙溫區(qū)要高很多

原因

對策硒化工藝探索蒸鍍硒后快速熱處理工藝探索-5球狀小顆粒為單質(zhì)硒對平整區(qū)域放大，薄膜致密平整硒化工藝探索蒸鍍硒后快速熱處理工藝探索-526.59°，44.10°，52.34°三處峰為CuInSe2峰29.18°處對應(yīng)Se峰170.47cm-1和226.06cm-1處對應(yīng)CuInSe2相239.37cm-1處為單質(zhì)Se硒化工藝探索蒸鍍硒后快速熱處理工藝探索-6不改變Mo的濺射工藝，將單層Mo薄膜在500℃下退火20min摸索雙層Mo濺射工藝2Pa濺射10min，0.2Pa濺射15min2Pa濺射10min，0.2Pa濺射13min2Pa濺射12min，0.2Pa濺射13min

小結(jié)快速熱處理時，Mo基底會對CIS薄膜形貌產(chǎn)生很大影響

對策雙層Mo確實很大程度上改善了薄膜脫落現(xiàn)象，但是并沒有完全解決這個問題實驗小結(jié)

通過濺射工藝對Cu-In合金薄膜影響的研究：在Cu靶功率20W，In靶功率47W時可獲得銅銦比為0.8-0.9的預(yù)制層。濺射時間為40min時，可獲得厚度為600nm的金屬預(yù)制層用雙溫區(qū)管式氣氛爐對金屬預(yù)制層硒化，薄膜質(zhì)量與要求存在差距，Se的含量不高，并且有雜相生成；預(yù)制層蒸鍍硒后快速熱處理工藝中，可以通過工藝調(diào)節(jié)可獲得成分良好的吸收層，但是薄膜表面存在硒單質(zhì)，且脫膜現(xiàn)象嚴重。實驗小結(jié)四、下一步工作計劃繼續(xù)研究雙溫區(qū)管式氣氛爐硒化