您好,欢迎来到爱玩科技网。
搜索
您的当前位置:首页两步法制备CIGS薄膜的工艺研究

两步法制备CIGS薄膜的工艺研究

来源:爱玩科技网
第27卷第1期 2011年1月 无 机 化 学 学 报 Vo1.27 No.1 1.5 CHINESE JOURNAL OF INORGANIC CHEMISTRY 两步法制备CIGS薄膜的工艺研究 廖成 韩俊峰 江 涛 谢华木 焦 飞 赵 夔 (北京大学核物理与核技术国家重点实验室,北京 100871) 摘要:本文主要研究了“预制层硒化法”制备铜铟镓硒(CIGS)薄膜的工艺。采用磁控溅射的方式制备In、Cu—Ga金属预制层,然后 进行硒化(450℃)以及退火处理(550 qC)。SEM结果表明,在室温下溅射沉积In薄膜,并且采用Mo/Cu—Ga/ln/Cu—Ga/In的叠层顺 序,可 获得平整致密的CIGS薄膜。XRD和SEM测量显示,以单质硒作为硒源,在450℃的硒化之后生成分离的CIS和CGS 相,惰性氛围的高温退火可以使分离的CIS和CGS相互融合,形成均一化的CIGS四元化合物。在此基础上,最终完成的CIGS 电池光电转换效率为7.5%。 关键词:预制层硒化法;铜铟镓硒;金属预制层;退火 中图分类号:TM914.442;TN305.92 文献标识码:A 文章编号:tO01.4861(2011)O1—0001—05 Study on Two-Step Process of Preparing CIGS Films LIAO Cheng HAN Jun—Feng JIANG Tao XIE Hua—Mu JIAO Fei ZHAO Kui (State Key Labortaory ofNuclear Physics and Technology Peking University,Beijing 100871,China) Abstract:The method of“selenization of stack element layers”to prepare CIGS films was studied in this article. Cu—Ga and In metallic layers were deposited alternatively by magnetic sputtering.which was followed by selenization(450 qC)and annealing(550℃).The SEM showed that CIGS film appeared smooth and compact when the precursors were sputtered at low substrate temperature and with a sequence of Mo/Cu.Ga/In/Cu.Ga/In.After selenization.the bi—layer film was attained from the SEM pictures.The XRD indicated that double layers were composed of CIS on the top and CGS on the bottom.Moreover。the separate CIS and CGS phases came to the homogeneous CIGS phase if an annealing process in inert atmosphere without selenium was introduced after selenization.Based on these improvements.the CIGS solar cell got a conversion eficiency of 7.5%.f Key words:selenization of stack element layers;CIGS;metallic precursor;annealing 0 引 言 铜铟镓b- ̄i(CIGS)薄膜电池是近年来发展最快、 最有前景的一类新型光伏电池。它具有以下优势: (1)高转换效率:目前实验室最高效率19.9%Iu.由美 至1¥・W~;(3)抗辐射、长寿命:户外测试验证效率不 衰减[21,适用于空间电池,如人造卫星、各种空间探 测器等。铜铟硒fCIS)是一种黄铜矿结构直接带隙半 导体材料.室温下其本征带宽只有1.02 eV.引入Ga 替代部分In可以改善禁带宽度 .有利于提高开路 电压,进而提高光电转换效率。CIGS对高于其带宽的 光子具有很强的吸收,吸收系数高达105 cm-1。因此. CIGS是薄膜太阳能电池主吸收层材料的最佳选择 国国家可再生能源实验室(NREL1研发.在薄膜电池 中处于领先地位;(2)低成本潜力:材料消耗量低,可 以通过工艺改进降低一次性投入.有希望将成本降 收稿日期:2010.07.27。收修改稿日期:2010—08.25。 北京市自然科学基金重点资助项目(No.H030630010120)。 通讯联系人。E-mail:KZhao@pku.edu.cn 2 无机化学学报 第27卷 之一。 层的方式制备Cu。Gaffn金属预制层 预制层整体厚 度0.8 m,Cu/(In+Ga))f.-T比大约为0.9。制备好的 金属预制层被传输到室B中进行60 min的合金化 退火处理.温度维持150℃,使各层相互扩散,达到 成分和物相的均一化 l-2硒化热处理 目前.制备CIGS薄膜的方法主要有两种:“三 步共蒸法”f三步法1和“预制层硒化法”(两步法)。三 步法能够在小样片上制备出高效率的电池器件.但 对控制的精确要求和工艺的复杂程度使其难以推广 到大规模生产线。相比之下。先溅射金属预制层.再 进行硒化处理的两步法T艺更简单.容易向大面积 推广 其中.金属预制层的成膜质量直接影响CIGS 完成合金化的样品在气氛管式炉fD1中进行硒 化热处理 这个过程分为两步:首先是硒化,温度维 膜的性能 通过优化其制备工艺.得到致密均匀的预 制层薄膜是两步法]二艺的关键15-91。硒化过程通常要 用到硒化氢气体[1o-12]才能取得较好的结果 这种气体 剧毒、昂贵,带来安全和成本等一系列问题,因此寻 持在450 qC.时间持续20 min.由一个内置硒源提 供硒气氛.整个过程管式炉中充满氩气保护,总气压 为200 Pa:第二步是高温退火.升温至550℃进行 60 min热处理.总气压保持在200 Pa左右。 1.3性能及表征 本实验采用日本理学D/MAX—RA 12KW X射 找硒化氢的替代品作为硒化过程中的硒源、制备性 能优异的CIGS薄膜一直是国内外研究的热点和难 点p3-18] 本文一方面研究In的溅射条件和合金叠层 方式.获取优质预制层薄膜.另一方面采用单质硒丸 线衍射仪(XRD)分析薄膜物相晶格结构.采用FEI Nova NanoSEM 430场发射扫描电镜观察薄膜表面 及断面的形貌特征 代替硒化氢进行硒化.通过对薄膜形貌和晶相的分 析优化两步法 艺 2结果与讨论 2.1金属In溅射 1 实验部分 1.1溅射In、Cu.Ga金属预制层 从图2(a1 m可以看出,不同温度下溅射沉积的 In膜.表面形貌有很大的差异 在室温基底上沉积 的In膜fa1由2-5 m大小的晶粒组成,晶粒之间尺 本实验镀膜设备如图1所示.由溅射镀膜室 (A)、合金退火室(B)、硒蒸镀室(C)、硒化热处理室(D)、 隔离传输室(E15个的真空腔室组成.每个腔室 的本底真空都达到5xlO Pa。金属Mo、In和合金 Cu.Ga的沉积主要在A室完成.采用直流脉冲溅射 度均匀且缝隙明显,薄膜比较平整但致密度不高。将 基底温度升至100 c【=f1))时,晶粒之间开始相互融合, 晶粒缝隙基本消失.开始有5~10 btm的较大晶粒形 的方式。其中.In和Mo是单质靶.Cu—Ga是合金靶 且含Ga原子比为27%.靶材的纯度均为5N f99.999%1,薄膜生长的基底为硼硅平面浮法玻璃f2 成.但相对于室温条件总体变化不大。继续提升沉底 温度至150℃甚至更高.In膜就会明显地分成两部 分,一是由几十纳米的纺锤状晶粒组成的“背景”.二 是在这些“背景”之上出现了大尺度的“颗粒” 由图 2(c)~ff]可以清晰地看出这种“颗粒”的生长过程:先 am)。由于In是低熔点金属.首先在不同温度的基 r底上沉积In.确定合适的工作点.然后采用交替叠 由若干纺锤状小晶粒聚集成团簇fc1,然后团簇内部 相互融合.晶界消失形成单独的较大晶粒fd1.随着 温度的升高它们越长越大.在200 oC这种大晶粒的 尺度可以超过100 Ixm(f) 虽然“背景”部分极为平整 和致密.但这种巨大“颗粒”的存在会造成薄膜成分 偏析.不利于后续薄膜的生长.并容易在“颗粒”附近 造成电池器件内部的短路.对光电转换效率有非常 严重的影响 (A)sputtering chamber,(B)annealing chamber,(C)Se evaporation 在In溅射的过程中必须要严格控制基底温度 chamber,(D)selenization chamber,(E)transition chamber 在100℃以内.同时还需要适当控制溅射功率.减弱 溅射过程中高能粒子轰击对衬底的加热效应.因此 本文中金属预制层采用室温溅射 图1实验镀膜系统 Fig.1 Vacuum system for iflms depositing 第1期 廖 成等:两步法制备CIGS薄膜的工艺研究 3 (a)RT:(b)100 ℃:(c)~(d)1 50 ℃:(e)~(O 200 ℃ 图2不同基底温度对所沉积In膜形貌的影响 Fig.2 Influence of diferent substate temperature on the morphology of In films 2.2合金预制层 在In中的固溶度I1 .所以表面的In易于向下层扩散 金属预制层的溅射顺序.关系到CIG合金薄膜 的形貌.进而影响CIGS电池的性能 本文研究了4 种不同的叠层方式,它们的表面形貌如图3fa1~(d)所 融合.利用其较强的润湿能力填补晶粒之间的空隙. 提高薄膜的致密度.同时使得表面更加平整.这与李 健等人的结论基本一致12Ol 另一方面.In相对较难被 氧化.在表面可以起到一定的保护作用。基于以上原 示。可以看出,表面覆In的薄膜fb)比表面覆Cu.Ga 的薄膜fa1晶粒尺度更小更均匀,平整度较高。增加叠 层的数目fc)fd1,这种对比差异仍然存在,而且有加 剧的趋势.这是由于In在Cu中固溶度远高于Cu 因.结合对成分均匀性的考虑.用于硒化热处理的样 品都以图2(d1:Mo/Cu.G£L/In,Cu.G£L/In的方式来制备 CIG金属预制层 (a)Mo/ln/Cu—Ga;(b)Mo/Cu-Ga/In;(c)Mo/In/Cu—Ga/In/Cu—Ga;(d)Mo/Cu—Ga/In/Cu—Ga/In 图3不同金属层序列的表面形貌 Fig.3 Surface morphology of different metallic layers 2.3硒化热处理 物CIGS.而是2种三元化合物CIS和CGS分层地 出现在表层和底层f1ll 这种重排分层主要是由In、Ga 在Se氛围中的活性差异造成的。其中.In与Se在 图4fa1和fe1是预制层薄膜在硒化(450℃1后的表 面断面SEM照片.可以发现薄膜明显地分为上下2 层.上层由微米量级的较大晶粒组成.而靠近M0的 下层薄膜晶粒比较细碎 XRD结果显示.薄膜中存 在铜铟硒fCIS1和铜镓 ̄(CGS)2种结构,由于晶格常 数的差异,它们在3个主衍射峰(112)、(204/220)、 200 qC左右就能迅速地生成多种In.Se二元化合物. 它们在350 ̄C就能结合Cu.Se二元化合物形成CIS. 因为Se是由外界气氛引人.所以这一系列反应最先 在薄膜的表面附近进行 而Ga与Se在300℃以下 难生成稳定的二元化合物.生成CGS的反应更是要 到430 oC才开始缓慢地进行.这时已经有足够的Se f312/116)的位置上都有明显分离,如图5(a1。因此, 薄膜在硒化过后并没有直接生成单一相的四元化合 4 无机化学学报 第27卷 图4硒化(a)(c)以及退火(b)(d)后薄膜的表面、断面形貌 Fig.4 Surface and CROSS—section morphology of iflms after selenization(a)(c)and annealing(b)(d) 扩散到薄膜内部 此外,相比于CGS来说,CIS的表 i:ZnO/A1:Zn0的常规结构完成CIGS电池器件。在 AM1.5的标准光照条件下,两者的,. 曲线如图6。 面能更低.易于在薄膜表面附近积聚。综合这两点因 素.硒化过程中的分层现象难以避免,这时异质结的 实际组成结构是P.CIS/n ̄-CdS.空间电荷区完全落到 表层的CIS中.Ga集中在底层并没有起到提高结区 带宽的作用 通过550℃的高温退火处理,可以使底 层的Ga和表层的In相互扩散.形成均匀的CIGS薄 膜 硒化之后的样品分别进入Se/Ar混合氛围和Ar 惰性氛围.进行l h 550℃的退火。从图5(1)1可以看 出.在含Se气氛中退火后.虽然有更多的CGS在高 由图可见.采用惰性氛围的退火,电池器件的输出性 能明显优于含Se氛围退火的样品.特别是开路电压 .的提升非常显著。这一点正好与上述SEM和 XRD的测量结果相互印证.由于Ga向表面扩散的 增强,有效地提高了结区带宽,进而提高了电池开路 电压以及转换效率 ∞ 温下生成.但CGS与CIS之间仍然是分离地存在,没 有完全融合在一起.退火的作用不明显 而在惰性氛 围中退火后,图5(c)中三主峰峰型均匀对称,峰位置 S { 言 董 r 芒 二~萼 =~~\、~  、 、 、 也明显向着晶格收缩(20增大1的方向移动.说明CIS 和CGS已经完全融合.形成了单一相的CIGS。同时, 图4fd1断面SEM说明。薄膜晶粒大小均匀致密,之前 图6不同退火氛围对CIGS电池性能的影响 Fig.6 Influence of annealing atmosphere on efficiency of CIGS cells 显著的分层现象已经消除。结合表面形貌图4(a)~(b1 对比发现.退火后晶粒尺寸略有减小,但平整度和致 密性都得到了提升。由此可见。在退火过程中,含Se 的活性气氛阻碍了In、Ga之间的相互扩散 。在惰性 3 结 论 瓣 实验结果表明.用预制层硒化法.通过对各部分 氛围下才能生成均一化的CIGS薄膜 分别将面积均为1 cm 的样品1f含Se氛围退 工艺的优化控制.最终可以制备出表面平整、结晶致 密、物相单一的CIGS薄膜 f1)基底过热会引起低熔点金属In的融合、积 聚,形成超过100 m的超大“颗粒”。严重影响薄膜 的平整度.进而导致电池内部短路。所以,在溅射过 火)和样品2(惰性氛围退火)按照glass/M0/CIGS/CdS/ 25 # ;、 I八3  久 3O 35 4U 45 50 55 程中需要严格控制基底温度和溅射功率 f21不同顺序的金属叠层,表面覆In有助于减 小晶粒尺寸、提高薄膜的致密性和平整度.从而有利 于CIGS薄膜的生长 f31硒化过程f450℃1生成了CIS和CGS 2种三 元化合物.它们出现明显的分层现象 通过高温的退 火(550 cC1.能使In和Ca相互扩散生成均一化的 CIGS 退火过程中Se气氛的存在会对扩散起到阻 20/(。) 图5硒化(a)、硒气氛退火(b)以及惰性氛围退火(c) 后样品的XRD图 Fig.5 XRD patterns of samples after selenization(a), annealing in Se/Ar(b)and annealing in Ar(c) 碍作用.在Ar纯惰性氛围下退火是更好的选择。 第1期 廖成等:两步法制备CIGS薄膜的工艺研究 5 参考文献: 【1]Repins Ingrid,Contreras M,Egaas B,et a1.Prog.Photovolt: Res.App1.,2008,16:235—239 【2】Powalla M,Dimmler B.Thin So Films,2000,361・362: 540.546 I3 Sha3Ifarman W,Klenk Reiner,McCandless B. App1.Phys., 1996,79(9):7324—7328 [4]Lundberg O,Edoff M,Stoh L.Thin Solid Films,2005,480— 481:520.525 【5】LI Qiu—Fang(李秋芳),ZHUANG Da—Ming( ̄明),ZHANG Gong( ̄K弓),et a1.Chin. Vacuum Sci.Techno1.(Zhenkong Kexue yu如hu Xuebao),2008,28(1):42—46 [6]YAN You—Hua(阎有花 LIU Ying—Chun( ̄]迎春),FANG Ling(方玲),et a1.Chin. Rare Metals iyou Jinshu),2008, 32f21:156—160 [7】ZHENG Qi一“n(郑麒麟),ZHUANG Da—Ming( ̄大明),ZHANG Gong( ̄弓),et a1.Acta Energ.So1.Sin.(TafyangnengXuebao), 2006.27(1 11:1 108一l1 l2 【8】ZHENGQi一“n(郑麒麟),ZHUANGDa.Ming(庄大明),ZHANG Gong( ̄弓),et a1.Chin..J=Vacuum Sci.Techno1.(Zhenkong Kexue Yu hu Xuebao),2006,26:36—39 【9】HAN Dong-Lin( ̄东麟),ZHANG Gong( 弓),ZHUANG Da—Ming(/ ̄大明1.et a1.Acta Energ.So1.Sin.(Taiyangneng Xuebao),2009,30(5):607—610 【10]Singha Udai,Shafarman W,Birkmire R.So1.Energy Mater. So1.Cells,2006,90:623—630 【1 1]Alberts V.Mater.Sci.Eng.B,2004,107:139—147 【12]Matsunaga Kentaro,Komaru Takashi,Nakayama Yuji,et a1. &l2_Eneryg Mater.So1.Cells.2009,93:l 134_1 138 [13]Sugiyama M,Dejene F,Kinoshita A,et a1. Cryst.Growth, 2006,294:214—217 【14]TANG Hui—Xiang( 会香),YAN Mi(严密),ZHANG Hui f张辉),et a1.Chin.J=Se・miconduct.(Bandaoti Xnebao), 2004,25(6):741—744 【15]HAN Dong—Lin( ̄东麟),ZHANG Gong( ̄,弓),ZHUANG Da.Ming(F ̄大明),et a1. Funct.Mater.(Gongneng Cailiao), 2008,39(3):446-452 【16]ZHANG Jia—You(张加友),GONG Xiao—Bo(龚晓波),LIU Wei—Yi(刘维一),et a1.Acta Energ.So1.Sin.(Taiyangneng Xuebao),2003,24(3):335—339 [17]HAN Dong—Lin( ̄东麟),ZHANG Gong(弓),ZHUANG Da—Ming( ̄大明1.et a1.Acta Energ.So1.Sin.(Taiyangneng Xuebao),2009,30(4):426—429 [18]HAN Dong—Lin( ̄东麟),ZHANG Gong(张弓),ZHUANG Da—Ming(庄大明),et a1.Chin. Vacuum Sci.Techno1. (Zhenkong Kexue Yu Jishu Xueboo),2008,28(3):235—239 【19]Fedorov P I,Akehurin R K,Translated by ZHANG Qi— Yun(张启运),XU Ke—Min(徐克敏).Handbook ofIndium Chemistry( ̄化学手册).Beijing:Peking University Press, 2005:296—297 【20]LI Jian( ̄),ZHU Jie(朱洁).A cta Energ.So1.Sin. (Taiyangneng Xnebao),2008,39(3):3 1 2—3 1 8 『21]Caballero R,Guillen C.Thin Soldi Films,2002,403—404: 1O7—1ll 【22]Lundberg O,Lu L Rockett A,et a1. Phys.Chem.Solids, 20o3.64:1499—1504 【23]Marudachalam M,Birkmire R,Hichri H,et a1. App1. , "..1997。82(6):2896—2905 

因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容

Copyright © 2019- aiwanbo.com 版权所有 赣ICP备2024042808号-3

违法及侵权请联系:TEL:199 18 7713 E-MAIL:2724546146@qq.com

本站由北京市万商天勤律师事务所王兴未律师提供法律服务