CN101967624A - Cu2ZnSnS4光伏薄膜的制备方法 - Google Patents

Cu2ZnSnS4光伏薄膜的制备方法 Download PDF

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赖延清
张坤
李轶
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匡三双
李劼
刘业翔
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Abstract

本发明涉及一种Cu2ZnSnS4光伏薄膜的制备方法，其特征在于以硫化氢和氩气混合气体作为溅射气体，以Cu-Zn-Sn合金靶作为阴极靶，以磁控反应溅射的方式进行薄膜的沉积。其中，合金靶的组分为原子比Cu∶Zn∶Sn＝1∶0.1～2∶0.1～2，溅射时溅射室内压强为0.05Pa～10Pa，靶材与衬底的距离为3～15cm，阴极靶的溅射功率为15～300W，衬底温度为20～700℃，并以0～1000转每分钟的速率旋转，生长的薄膜厚度为0.2～5μm。与传统的基于热活化的技术相比，本发明所述的制备方法制备的薄膜大面积成分均匀性好、结晶质量高且杂相少，同时该法还具有工艺简单、成本低廉和重现性好等优势。

Description

Cu2ZnSnS4光伏薄膜的制备方法
技术领域
本发明属于光电材料新能源技术领域，涉及用作薄膜太阳电池光吸收层的一种化合物半导体薄膜的生长方法。
背景技术
发展太阳电池是解决日益恶化的能源危机和环境污染的有效途径。各类太阳电池中，CuIn1-xGaxSe2(CIGS)薄膜太阳电池以其优良的光伏特性被认为是最重要和最具发展前景的太阳电池之一。然而，CuIn1-xGaxSe2化合物中的In、Ga和Se是稀散金属，价格昂贵且储量有限。因此，探寻含高丰度元素和低成本的光吸收层薄膜材料来替代CuIn1-xGaxSe2已成为摆在我们面前的重要课题。必须指出的是，为了实现太阳电池的大规模实际应用，光吸收层材料除了要求低成本、原材料已获得外，还应当具备能与CuIn1-xGaxSe2相比拟的优良性能，包括：合适(1.2～1.5eV)且可调的带隙，可见光范围内较大的光吸收系数，高的电子迁移率，特别是对缺陷和晶界具有较好的电学容忍度等。目前研究最多、被认为最有潜力的替代材料是以0.5个Zn原子和0.5个Sn原子替代1个In原子的Cu2ZnSnS4(CZTS)，以其制成的太阳电池最高转化效率已达到了6.7％。
目前，Cu2ZnSnS4薄膜都是采用基于热活化的技术来制备，即通过高温加热实现各组元之间的反应并形成所需的化合物薄膜，主要包括蒸发和预制层后硫化两种技术路线。其中蒸发制备的薄膜质量较高，但是该技术最大的发展瓶颈是大面积均匀性差，难以获得实际应用。预制层后硫化是先采用溅射、电镀等方法制备合金预制层，然后再对预制层进行热处理(硫化)，获得Cu2ZnSnS4薄膜，这种方法易于实现薄膜的大面积制备，但存在工艺复杂、流程长、重现性不好等问题。因此，为了实现薄膜太阳电池的大规模应用，发展一步制备大面积、高质量Cu2ZnSnS4薄膜的方法是必要的。反应溅射能很好的满足这一要求。
发明内容
本发明的目的是：提供一种易于一步获得大面积和高质量Cu2ZnSnS4光伏薄膜的沉积技术。
反应溅射通过将反应气体引入溅射气体中，与被溅射出来的、高能的靶材金属原子发生反应，并在衬底上形成目标化合物薄膜。这种方法与一般的热活化过程具有本质的差异，它不仅能够实现薄膜的低温一步原位生长，而且由于被溅射出来的高能靶材金属原子在朝衬底运行过程中就已经与反应气体充分反应化合，故反应溅射能够十分方便的调控沉积薄膜的物相组成与微结构，克服了传统的热活化工艺受反应活性、预制层质量和加热制度等影响产生二次相和各种缺陷的不足。此外，该法还具有工艺流程短、重现性好，适合薄膜的大面积生长等传统热活化技术无法具备的优点。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种Cu2ZnSnS4光伏薄膜的制备方法，其特征在于：所述的制备方法以硫化氢和氩气混合气体作为溅射气体，以Cu-Zn-Sn合金靶作为阴极靶，以磁控反应溅射的方式进行薄膜的原位生长。
合金靶的组分为原子比Cu∶Zn∶Sn＝1∶0.1～2∶0.1～2，溅射时溅射室内压强为0.05Pa～10Pa，靶材与衬底的距离为3～15cm，阴极靶的溅射功率为15～300W，衬底温度为20～700℃，并以0～1000转每分钟的速率旋转。
各个靶可进行直流或射频磁控反应溅射。
获得Cu2ZnSnS4光伏薄膜的厚度为0.2～5μm。
本发明所述的制备方法实现了Cu2ZnSnS4光伏薄膜的一步生长，而且该法制备的薄膜在大面积成分均匀性的获得、二次相的抑除、物相结晶质量的提高以及光电性质的调控等方面具有传统的基于热活化的技术所无法比拟的优势。此外，该法采用单靶磁控反应溅射，相比多靶的方法，它还具有工艺简单、成本较低、重现性好、易于大规模推广等特点。
附图说明
图1是本发明获得的Cu2ZnSnS4光伏薄膜的典型形貌图。
图2是本发明获得的Cu2ZnSnS4光伏薄膜的典型X射线衍射图。
图3是本发明获得的Cu2ZnSnS4光伏薄膜的典型光吸收谱。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步详细说明，但不得将这些实施例解释为对本发明保护范围的限制。
实施例1
以原子比Cu∶Zn∶Sn＝1∶0.2∶1.7的Cu-Zn-Sn合金靶为阴极靶，采用直流溅射的方式，溅射功率为160W；以硫化氢和氩气的混合气体为溅射气体，混合气体中硫化氢的体积分数为5％；溅射气压为0.08Pa，靶材与衬底的距离为8cm，衬底温度为350℃，并以100转每分钟的速率旋转，进行薄膜沉积。获得厚度为1.2μm的Cu2ZnSnS4光伏薄膜，其导电类型为p型，带隙宽度为1.51eV。
实施例2
以原子比Cu∶Zn∶Sn＝1∶0.5∶0.5的Cu-Zn-Sn合金靶为阴极靶，采用直流溅射的方式，溅射功率为80W；以硫化氢和氩气的混合气体为溅射气体，混合气体中硫化氢的体积分数为80％，溅射气压为1Pa，靶材与衬底的距离为11cm，衬底温度为500℃，并以4转每分钟的速率旋转，进行薄膜沉积。获得厚度为1μm的Cu2ZnSnS4光伏薄膜，其光电等性能参数如下：
  厚度(μm)   电阻率(Ωcm)   霍尔系数(m2/C)  霍尔迁移率(cm2V-1s-1)   载流子浓度(cm-3)   导电类型   光吸收系数(cm-1)   禁带宽度(eV)
  1   5.58   129.3  23.17   4.828×1016   p   6.24×104   1.52
实施例3
以原子比Cu∶Zn∶Sn＝1∶1.7∶0.3的Cu-Zn-Sn合金靶为阴极靶，采用射频溅射的方式，溅射功率为30W；以硫化氢气体为溅射气体，溅射气压为5Pa，靶材与衬底的距离为6cm，衬底温度为650℃，不旋转进行薄膜沉积。获得厚度为0.5μm的Cu2ZnSnS4光伏薄膜，其导电类型为p型，带隙宽度为1.48eV。
实施例4
以原子比Cu∶Zn∶Sn＝1∶1.2∶1.1的Cu-Zn-Sn合金靶为阴极靶，采用射频溅射的方式，溅射功率为200W；以硫化氢和氩气的混合气体为溅射气体，混合气体中硫化氢的体积分数为20％，溅射气压为8Pa，靶材与衬底的距离为14cm，衬底温度为100℃，并以700转每分钟的速率旋转，进行薄膜沉积。获得厚度为4μm的Cu2ZnSnS4光伏薄膜，其导电类型为p型，带隙宽度为1.45eV。

Claims (4)

1.一种Cu2ZnSnS4光伏薄膜的制备方法，其特征在于以硫化氢和氩气混合气体作为溅射气体，以Cu-Zn-Sn合金靶作为阴极靶，以磁控反应溅射的方式进行薄膜的沉积。
2.根据权利要求1所述的一种Cu2ZnSnS4光伏薄膜的制备方法，其特征在于：合金靶的组分为原子比Cu∶Zn∶Sn＝1∶0.1～2∶0.1～2，溅射时溅射室内压强为0.05Pa～10Pa，靶材与衬底的距离为3～15cm，阴极靶的溅射功率为15～300W，衬底温度为20～700℃，并以0～1000转每分钟的速率旋转。
3.根据权利要求1或2所述的一种Cu2ZnSnS4光伏薄膜的制备方法，其特征在于：阴极靶可进行直流或射频磁控反应溅射。
4.根据权利要求1或2所述的一种Cu2ZnSnS4光伏薄膜的制备方法，其特征在于：薄膜的厚度为0.2～5μm。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN103094373A (zh) * 2011-03-25 2013-05-08 南京航空航天大学 Cu2ZnSnS4/a-Si异质结太阳能电池及其制备方法
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