CN101333645A - 一种制备铜铟硒溅射靶材的工艺 - Google Patents

一种制备铜铟硒溅射靶材的工艺 Download PDF

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本发明属于光电材料新能源技术领域,特别涉及一种制备铜铟硒溅射靶材的工艺。通过制备或市场购买Cu2Se粉末和In2Se3粉末,混合后在行星式球磨机中球磨,而后冷压成型,制得Cu2Se和In2Se3混合材料素坯,将此素坯置于密闭的真空烧结炉中,在H2保护气氛中,烧结,冷却后脱模,即得到铜铟硒靶材。所制得的靶材具有均一的铜铟硒相,相对密度达到95%以上。本发明具有工艺简便,效率高,成本低,稳定性好等优点,为制备铜铟硒吸收层薄膜的制备工艺提供了便捷和稳定的保证。

Description

一种制备铜铟硒溅射靶材的工艺
技术领域
本发明属于光电材料新能源技术领域,特别涉及一种制备铜铟硒溅射靶材的工艺。
背景技术
黄铜矿结构的化合物半导体铜铟硒(CuInSe2)为直接带隙材料,以其作为光吸收层的薄膜太阳能电池,被认为最具发展前景的第三代化合物光伏材料之一,不仅制造成本低、光电转化效率高,而且具有抗辐射能力强,性能稳定等突出优点。铜铟硒薄膜太阳能电池的结构一般为:减反射层/金属栅状电极/透明电极层/窗口层/过渡层/光吸收层铜铟硒/金属背电极/衬底。作为光吸收层的铜铟硒应该为p型半导体材料,这一点可以通过控制组分中Cu元素的略微不足来实现。
对于大面积生产太阳能电池,铜铟硒薄膜的制备方法主要有硒化预制膜法和多元共蒸法。硒化预制膜法是在基底上先通过气相沉积(蒸发或溅射)、化学浴、电沉积等方法制备Cu-In预制膜,然后在600℃左右的温度区间内用硒源气体对预制膜进行硒化,最终得到铜铟硒薄膜的过程。目前最常用的硒源气体是硒化氢(H2Se)气体,由于H2Se对人体有剧毒,因此在使用过程中需要特别的注意。这给生产过程带来了相当的麻烦。多元共蒸法可以避免H2Se气体的使用,其过程是将Cu、In、Se各种元素同时蒸发,并沉积到加热的基底上。在实验室中,使用多元共蒸法得到的铜铟镓硒(CIGS)太阳能电池的转化效率已经达到了19.2%,然而使用多元共蒸法难以通过控制热源在大面积基底上制备成分和厚度都均匀的铜铟硒薄膜。因此,以上两种方法应用在铜铟硒薄膜的规模化生产上都存在尚未解决的技术缺陷。
使用溅射方法制备薄膜具有沉积速率可控、薄膜成分均匀、结合力好等优点。因此,通过溅射铜铟硒靶材可以实现在大面积上沉积成分和厚度均匀的铜铟硒薄膜,而反应过程中不需要加入H2Se等有毒气体,从而解决了上面提到的技术问题。对于导电性不好的材料,可以采用高压直流磁控溅射或射频溅射。Piekoszewski et al使用在射频溅射制备的铜铟硒薄膜上真空蒸发硫化镉(CdS)的方法得到的薄膜太阳能电池,拥有5%的转化效率。Mickelsen和Chen将这一结构的太阳能电池转化效率提高到了接近11%。溅射方法制备薄膜的工艺中,靶材性能是很重要的一环。优化靶材的材料纯度、致密度、晶粒度以及结晶取向等都对提高薄膜的性能有很重要的影响,提高溅射产额、靶材利用率等对提高生产率、降低成本等也有重要意义。
发明内容
本发明提供了一种制备铜铟硒溅射靶材的工艺,其特征在于:该工艺的具体步骤为:
(一)制备硒化亚铜Cu2Se和硒化铟In2Se3粉末的过程:
(1)按质量比1∶1~1.6∶1称取Cu粉和Se粉,混合后装入石墨坩埚,置于真空炉中,在350℃~450℃进行固相反应,反应时间为0.5~2h,即可得到Cu2Se粉末;或按质量比1∶1~1.6∶1称取Cu粉和Se粉,混合后装入石墨坩埚,置于充入1atm市购高纯N2的密闭炉中,在350℃~450℃进行固相反应,反应时间为0.5~2h,即可得到Cu2Se粉末。
(2)按质量比1∶2~1∶3称取In粉和Se粉,混合后装入石墨坩埚,置于真空炉中,在300℃~400℃进行固相反应,反应时间为0.5~4h,即可得到In2Se3粉末;或按质量比1∶1~1∶3称取In粉和Se粉,混合后装入石墨坩埚,置于充入1atm市购高纯N2的密闭炉中,在300℃~400℃进行固相反应,反应时间为0.5~4h,即可得到In2Se3粉末。
(二)压制Cu2Se和In2Se3混合材料素坯的过程:
将上述或市售的Cu2Se和In2Se3粉末按质量比1∶2.25~1∶3配料,混合料装入尼龙球磨罐中,在行星式球磨机中球磨2~12h;将球磨后的粉料均匀填充于模具中,经200~600MPa的压力冷压1~3min成型。
(三)烧结铜铟硒靶材的过程:
将成型素坯置于密闭的真空烧结炉中,在1atm的H2保护气氛中,于650~850℃下烧结0.5~12h,随炉冷却至常温后脱模,得到铜铟硒靶材。
所述Cu粉的纯度大于99.95%,Se粉的纯度大于99.99%,In粉的纯度大于99.99%。
所述自制或市售的Cu2Se和In2Se3粉末的纯度均大于99.99%。
所述压制Cu2Se和In2Se3混合材料素坯的过程中的球料比为1∶4~1∶10。
本发明的有益效果为:使用该靶材溅射薄膜,可以解决传统的多元共蒸法难以制备成分和厚度均匀的大面积薄膜的问题,而且可以避免使用H2Se等有毒气体,有利于环保和安全生产的要求;具有工艺简便,效率高,成本低,稳定性好等优点,为制备铜铟硒吸收层薄膜提供了便捷和稳定的工艺。
具体实施方式
本发明提供了一种制备铜铟硒溅射靶材的工艺,下面结合具体实施方式对本发明进一步进行说明。
实施例1
采用纯度为99.95%的Cu粉和99.99%的Se粉,按照质量比1∶1称量,混合后装入石墨坩埚,置于密闭炉中,抽真空(小于10-2Pa)后对石墨坩埚加热使之升温到350℃进行反应,反应时间为30min,制得Cu2Se粉末;采用纯度为99.99%的In粉和99.99%的Se粉,按照质量比1∶3称量,混合后装入石墨坩埚,置于密闭炉中,抽真空(小于10-2Pa)后对石墨坩埚加热使之升温到300℃进行反应,反应时间为30min,制得In2Se3粉末;所得Cu2Se粉末和In2Se3粉末按质量比1∶2.25混合后,按球料比1∶10的比例,经球磨12h后,均匀填充于模具中,在600MPa的压力下冷压1min成型;将得到的素坯置于真空烧结炉中,用N2洗气后抽真空(小于10-2Pa),再充入高纯N2至1atm,开始加热并通入H2,同时在炉末端放气,使烧结炉内气压保持1atm,烧结炉整体以10℃/min升温至800℃并保温30min,加热完毕后,停止通气并保持炉内为压强1atm的密闭环境自然冷却到室温,取出即得到所制铜铟硒靶材。
切下一小块所得靶材,用排水法测试靶材密度表明所制得靶材相对密度大于95%;磨平制样后用D/max-RB X射线衍射仪分析其晶体结构,XRD测试结果表明靶材内部相结构为均一的铜铟硒相;制样后用KYKY-2000型扫描电子显微镜观察其形貌和成分分布,测试结果表明靶材内部成分均匀、结构致密;用中频磁控溅射或射频溅射本发明所得的铜铟硒靶材制备铜铟硒薄膜,分析薄膜的结构和形貌,结果表明靶材中Cu、In、Se元素比例大致为1∶1∶2。通过射频溅射该靶材所制备薄膜的结构为具有(112)面择优取向的CIS黄铜矿相结构,适合作为铜铟硒太阳能电池的吸收层。
实施例2
采用纯度为99.95%的Cu粉和99.99%的Se粉,按照质量比1.6∶1称量,混合后装入石墨坩埚,置于密闭炉中,抽真空(小于10-2Pa)后充入市购的高纯N2,使炉内气压保持1atm,对石墨坩埚加热使之升温到450℃进行反应,反应时间为2h,制得Cu2Se粉末;采用纯度为99.99%的In粉和99.99%的Se粉,按照质量比1∶1称量混合后装入石墨坩埚,置于密闭炉中,抽真空(小于10-2Pa)后充入市购的高纯N2,使炉内气压保持1atm,对石墨坩埚加热使之升温到400℃进行反应,反应时间为4h,制得In2Se3粉末;所得Cu2Se粉末和In2Se3粉末按质量比1∶2.25混合后,按球料比1∶10的比例,经球磨8h后,均匀填充于模具中,在200MPa压力下冷压3min成型;将得到的素坯置于真空烧结炉中,用N2洗气后抽真空(小于10-2Pa),再充入市购的高纯N2至1atm,此时开始加热,并通入H2,同时在炉末端放气,使烧结炉内气压保持1atm。炉内素坯以10℃/min升温至700℃并保温12h,加热完毕后停止通气,保持炉内为压强1atm的密闭环境自然冷却到室温,取出即得到所制铜铟硒靶材。
性能测试结果与实施例1基本相当。
实施例3
采用市售的纯度均为99.99%的Cu2Se和In2Se3粉末,按质量比1∶2.25混合后,按球料比1∶4的比例,经球磨2h后,均匀填充于模具中,在400MPa的压力下冷压3min成型;将得到的素坯置于真空烧结炉中,用N2洗气后抽真空(小于10-2Pa),再充入高纯N2至1atm,此时开始加热,并通入H2,同时在炉末端放气,使烧结炉内气压保持1atm,炉内素坯以10℃/min升温至850℃并保温2h;加热完毕后停止通气,保持炉内为压强1atm的密闭环境自然冷却到室温,取出即得到所制铜铟硒靶材。
性能测试结果与实施例1基本相当。
实施例4
采用市售的纯度均为99.99%的Cu2Se和In2Se3粉末,按质量比1∶3混合后,按球料比1∶4的比例,经球磨4h后,均匀填充于模具中,在400MPa的压力下冷压3min成型;将得到的素坯置于真空烧结炉中,用N2洗气后抽真空(小于10-2Pa),再充入高纯N2至1atm。此时开始加热,并通入H2,同时在炉末端放气,使烧结炉内气压保持1atm。炉内素坯以10℃/min升温至850℃并保温4h。加热完毕后停止通气,保持炉内为压强1atm的密闭环境自然冷却到室温,取出即得到所制铜铟硒靶材。
切下一小块所得靶材,用排水法测试靶材密度表明所制得靶材相对密度大于95%;磨平制样后用D/max-RB X射线衍射仪分析其晶体结构,XRD测试表明靶材内部相结构为铜铟硒和CuIn2.0Se3.5的混合相;制样后用KYKY-2000型扫描电子显微镜观察其形貌和成分分布,测试结果表明靶材内部成分均匀、结构致密;用中频磁控溅射或射频溅射本发明所得的铜铟硒靶材制备CIS薄膜,分析薄膜的结构和形貌,结果表明靶材中Cu、In、Se元素比例大致为1∶1∶2。此实施例所制靶材的电导率高于实施例1-3,可以通过中频磁控溅射制备薄膜,所制备薄膜的结构为具有(112)面择优取向的铜铟硒黄铜矿相结构,适合作为铜铟硒太阳能电池的吸收层。
以上所述的实施例,只是本发明的几个典型的具体实施方式,本领域的技术人员可以在所附权利要求的范围内做出各种修改。

Claims (4)

1.一种制备铜铟硒溅射靶材的工艺,其特征在于:该工艺的具体步骤为:
(一)制备硒化亚铜Cu2Se和硒化铟In2Se3粉末的过程:
(1)按质量比1∶1~1.6∶1称取Cu粉和Se粉,混合后装入石墨坩埚,置于真空炉中,在350℃~450℃进行固相反应,反应时间为0.5~2h,即可得到Cu2Se粉末;或按质量比1∶1~1.6∶1称取Cu粉和Se粉,混合后装入石墨坩埚,置于充入1atm市购高纯N2的密闭炉中,在350℃~450℃进行固相反应,反应时间为0.5~2h,即可得到Cu2Se粉末。
(2)按质量比1∶2~1∶3称取In粉和Se粉,混合后装入石墨坩埚,置于真空炉中,在300℃~400℃进行固相反应,反应时间为0.5~4h,即可得到In2Se3粉末;或按质量比1∶1~1∶3称取In粉和Se粉,混合后装入石墨坩埚,置于充入1atm市购高纯N2的密闭炉中,在300℃~400℃进行固相反应,反应时间为0.5~4h,即可得到In2Se3粉末。
(二)压制Cu2Se和In2Se3混合材料素坯的过程:
将上述或市售的Cu2Se和In2Se3粉末按质量比1∶2.25~1∶3配料,混合料装入尼龙球磨罐中,在行星式球磨机中球磨2~12h;将球磨后的粉料均匀填充于模具中,经200~600MPa的压力冷压1~3min成型。
(三)烧结铜铟硒靶材的过程:
将成型素坯置于密闭的真空烧结炉中,在1atm的H2保护气氛中,于650~850℃下烧结0.5~12h,随炉冷却至常温后脱模,得到铜铟硒靶材。
2.根据权利要求1所述的一种制备铜铟硒溅射靶材的工艺,其特征在于,所述Cu粉的纯度大于99.95%,Se粉的纯度大于99.99%,In粉的纯度大于99.99%。
3.根据权利要求1所述的一种制备铜铟硒溅射靶材的工艺,其特征在于,所述自制或市售的Cu2Se和In2Se3粉末的纯度均大于99.99%。
4.根据权利要求1所述的一种制备铜铟硒溅射靶材的工艺,其特征在于,所述压制Cu2Se和In2Se3混合材料素坯的过程中的球料比为1∶4~1∶10。
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