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1、第27卷 第11期太 陽(yáng) 能 學(xué) 報(bào)Vol127,No1112006年11月ACTAENERGIAESOLARISSINICANov1,2006文章編號(hào):025420096(2006)1121108205濺射功率對(duì)CIGS吸收層前驅(qū)膜成分和結(jié)構(gòu)的影響鄭麒麟,莊大明,張 弓,李秋芳(清華大學(xué)機(jī)械工程系,北京100084)摘 要:采用中頻交流磁控濺射方法制備了CuIn、CuGa和CIG合金膜。采用SEM和XRD觀(guān)察和分析了各種薄膜的表面形貌、成分和組織結(jié)構(gòu)。著重分析了靶功率密度對(duì)薄膜成分、晶體結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明,通過(guò)調(diào)節(jié)靶功率密度,能精確控制薄膜中Cu、In、Ga比例。制備得到了C
2、uP(In+Ga)原子比接近1,且GaP(In+Ga)比例可調(diào)的成分分布均勻的CIG薄膜。CIG前驅(qū)膜是以Cu11In9為基礎(chǔ)相,Ga原子主要是以替代In原子的固溶體形式存在。當(dāng)濺射2CuIn和CuGa合金靶的功率密度分別為0126和0110WPcm時(shí),可制備得到由Cu11In9和CuIn兩相組成的理想的CIG前驅(qū)膜。關(guān)鍵詞:CIGS;太陽(yáng)能電池;磁控濺射;前驅(qū)膜中圖分類(lèi)號(hào):TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A因此,本文采用中頻交流磁控濺射方法交替濺射0 引 言CuIn和CuGa合金靶的工藝制備了CIG前驅(qū)膜。著CuInSe2(CIS)是具有黃銅礦結(jié)構(gòu)的直接帶隙半重考察了濺射靶功率密度
3、對(duì)CuIn、CuGa和CIG前驅(qū)5-1導(dǎo)體材料,吸收系數(shù)高達(dá)10cm。CIS中摻入適量膜成分和均勻性以及它們結(jié)構(gòu)的影響。并對(duì)薄膜表的Ga部分替代In,形成的Cu(In1-xGax)Se2(CIGS)混面形貌進(jìn)行了觀(guān)察和分析。溶晶體其禁帶寬度在1102～1170內(nèi)可調(diào)。以CIGS1 實(shí)驗(yàn)方法為吸收層制成的薄膜太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)達(dá)到[1]1912%。CIGS薄膜太陽(yáng)電池具有制造成本低以及CuIn、CuGa、CIG前驅(qū)膜采用中頻交流磁控濺射性能穩(wěn)定等突出優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為最有希望成為第三代沉積工藝制備。真空室為圓柱形腔體,腔體壁上配[2～4]太陽(yáng)電池,極具發(fā)展前景。對(duì)于大面積生產(chǎn)太有兩個(gè)
4、立式靶體(靶的有效面積為120mm×陽(yáng)電池,CIGS薄膜的制備方法主要有多元共蒸法和250mm),兩個(gè)靶位之間的張角為120°,靶體與基片[5,6]硒化法。硒化法是在襯底上先沉積CuInGa(CIG)架相對(duì)位置如圖1所示。本文中兩種靶材分別為合金前驅(qū)膜,然后在Se氣氛中硒化形成CIGS薄膜。CuIn和CuGa合金靶,它們的CuPIn和CuPGa原子比CIG膜的成膜方法有很多,其中磁控濺射方法工藝分別為1∶1和0167∶1。將基片裝載在可以旋轉(zhuǎn)或順[7,8]簡(jiǎn)便、元素成分易于控制,是很有效的成膜方法。逆擺動(dòng)旋轉(zhuǎn)的基片架上,通過(guò)基片正對(duì)某一個(gè)靶材研究發(fā)現(xiàn),CIGS薄膜性能對(duì)CIG前驅(qū)
5、膜的成膜工藝或交替濺射,并結(jié)合調(diào)節(jié)可以獨(dú)立控制的兩個(gè)靶材非常敏感,其實(shí)質(zhì)是CIG薄膜的成分和組織結(jié)構(gòu)對(duì)的濺射功率,獲得具有CuIn、CuGa和不同原子組成CIGS薄膜性能的影響。CIG前驅(qū)膜包含Cu、In、Ga3比例的CIG前驅(qū)膜。-3種元素,要求三者滿(mǎn)足精確的化學(xué)計(jì)量比并且均勻?yàn)R射鍍膜時(shí),本底真空度為310×10Pa;工作分布,實(shí)際制備過(guò)程中較難控制。而且由于Ga為低氣體為Ar,其壓強(qiáng)為110Pa;基片為經(jīng)過(guò)仔細(xì)清洗的熔點(diǎn)金屬,故無(wú)法直接將3種金屬單質(zhì)直接混合制厚度為111mm的載波片,基片與靶面之間的距離為備靶材,這些都增加了制備理想CIG前驅(qū)膜的難度。50mm。制備CuIn
6、薄膜時(shí),只濺射CuIn靶,選擇3種 收稿日期:2005206209 基金項(xiàng)目:清華大學(xué)985基礎(chǔ)研究基金項(xiàng)目(JC2003014)11期鄭麒麟等:濺射功率對(duì)CIGS吸收層前驅(qū)膜成分和結(jié)構(gòu)的影響1109靶功率密度;制備CuGa薄膜時(shí),只濺射CuGa靶,選表3CIG薄膜試樣編號(hào)及靶功率密度擇5種靶功率密度;制備CIG薄膜時(shí),CuIn靶功率密Table3SputteringpowerdensityfortheCIGfilmdeposition2試樣編號(hào)C1C2C3C4C5度固定為0126WPcm,CuGa靶功率密度在0106到0125WPcm2之間選擇5種水平。靶功率密度CuIn靶
7、0126-2PP(W·cm)CuGa靶01060110011501200125 采用JSM26460LV型掃描電子顯微鏡(SEM)分析薄膜成分及表面形貌。采用DPmax2RB型X射線(xiàn)衍射(XRD)儀(CuK,λ=0115418nm)分析薄膜的晶體結(jié)構(gòu)。2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論211 靶功率密度對(duì)合金膜成分的影響為了考察靶功率密度對(duì)CuIn、CuGa和CIG薄膜成分的影響,通過(guò)能譜分析(EDS)測(cè)試了薄膜中Cu、In、Ga的原子比。表4給出了分析結(jié)果?？梢钥磮D1 測(cè)射腔體俯視示意圖出,
