CN102492927B - 一种禁带宽度可调的碲锌镉薄膜材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种禁带宽度可调的碲锌镉薄膜材料的制备方法。该方法基于射频磁控溅射，采用复合结构生长Cd1-xZnxTe复合薄膜。通过调节沉积的Zn膜的厚度，经过快速退火，使Cd、Zn和Te晶粒相互扩散，从而达到增加Cd1-xZnxTe薄膜中Zn含量的目的。采用本发明的方法制备的Cd1-xZnxTe薄膜均匀性好，表面平整度高，结晶性好，晶粒取向度高，结构致密，薄膜组分可控，易于制备高禁带宽度、大面积高质量的Cd1-xZnxTe薄膜。
Description
技术领域
本发明属于光电材料新能源领域，涉及薄膜太阳能电池材料，具体是指一种用于薄膜太阳能电池光吸收层的禁带宽度可调的碲锌镉(Cd1-xZnxTe)薄膜材料的制备方法。
背景技术
1993年，Doty等人第一次生长出了高质量的Cd1-xZnxTe晶体。因Cd1-xZnxTe具有可调节的禁带宽度、优良的机械强度、高的电阻率、好的光敏特性和电荷传输特性等而得到广泛应用。用Zn取代闪锌矿结构CdTe晶格中的部分Cd，形成三元化合物Cd1-xZnxTe，Zn的加入并不显著影响材料的晶体结构。Cd1-xZnxTe可以被看作两种二元化合物ZnTe和CdTe的固熔体，改变Cd1-xZnxTe中Zn的含量(x值或称组分)，一些重要的物理性质可以在预想的范围内变化。如它的晶格常数随x值在0.61004～0.64829nm间线性改变；其禁带宽度随x值在1.45eV到2.26eV间连续可调。利用禁带宽度可调的材料做电池的吸收层可以通过三个方面提高太阳电池的效率：(1)有效降低本征区内的SRH复合速率；(2)增强作用在电子和空穴上的有效力场，提高载流子收集效率；(3)扩展太阳光谱的吸收范围。如果在沉积三元合金Cd1-xZnxTe过程中，合理控制x值的变化，制备禁带宽度可调的Cd1-xZnxTe多晶薄膜并将其作为光吸收材料，就有可能制作出高光电转化效率的太阳能电池。
目前常用的Cd1-xZnxTe薄膜的制备方法有单靶溅射和双靶共溅射方法。比如，Dongmei Zeng等人(Dongmei Zeng，Wanqi Jie，Hai Zhou，Yingge Yang.Effects of deposition temperatures on structure and physical properties of.Cd1-xZnxTe films prepared by RF magnetron sputtering，Nuclear Instruments and Methods in Physics Research，A614(2010)68-71)用Cd0.9Zn0.1Te靶，在溅射压强1.5Pa，溅射功率60W的条件下，通过改变基片温度制得了Cd1-xZnxTe薄膜。而Pushan Banerjee等人(Pushan Banerjee，Rajiv Ganguly，Biswajit Ghosh.Opttical properties of Cd1-xZnxTe thin films fabricated through sputtering of compound semiconductor，Applied Surface Science，256(2009)213-216)利用CdTe和ZnTe两个靶，采用双靶共溅射方法在200W和0.1mbar下制得了Cd1-xZnxTe薄膜。
然而目前遇到的最大难题是在沉积三元合金Cd1-xZnxTe过程中，难以控制薄膜中各元素的化学计量，特别是Zn元素的含量很难提高，难以保证制得具有较高禁带宽度的Cd1-xZnxTe薄膜。
发明内容
基于上述已有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提出一种基于射频磁控溅射，采用复合结构生长禁带宽度可调的Cd1-xZnxTe薄膜材料的制备方法。
本发明的一种禁带宽度可调的Cd1-xZnxTe薄膜材料的制备步骤如下：
A基片清洗
通过反复试验得到的优化清洗工艺过程为：将基片通过有机溶剂丙酮或酒精→去离子水→盐酸→去离子水→氮气吹干。在用氮气吹干基片时候，必须在超净环境下完成，以保证基片的清洁。
B Cd1-xZnxTe复合薄膜的生长
将基片固定在磁控溅射腔室的基片台上，将Cd1-xZnxTe靶，其组分x为0.04和Zn靶安装在各自的靶枪上，将溅射腔真空抽至2.9×10-3Pa，然后在基片上依次生长Cd1-xZnxTe/Zn/Cd1-xZnxTe/Zn薄膜，其厚度依次控制在100-1000nm/20-100nm/200-2000nm/20-1000nm。
或者在基片上依次生长Zn/Cd1-xZnxTe/Zn/Cd1-xZnxTe/Zn薄膜，其厚度依次控制在10-50nm/100-1000nm/20-100nm/200-2000nm/20-1000nm。
Cd1-xZnxTe薄膜的磁控溅射参数设定为：溅射功率20-50W，溅射气体为高纯Ar气，溅射气压为2.0-3.8Pa，基片温度为298-673K。
Zn薄膜的磁控溅射参数设定为：溅射功率30-50W，溅射气体为高纯Ar气，溅射气压为1.0-2.0Pa，基片温度为298-673K。
C.将上述生长好的复合结构的薄膜放入快速退火炉中，抽真空至10Pa，通过调节针孔阀，控制通入的高纯空气的流量，使快速退火炉内的压强为7.5×104Pa，退火温度473-673K，退火时间20-40min，自然冷却到室温取出。
所说的基片为玻璃片、镀Mo的不锈钢或镀Mo的聚酰亚胺。
本发明最显著的优点是：因为Cd、Zn和Te的沉积速率不同，很难控制Cd、Zn和Te的原子比，往往制备出的Cd1-xZnxTe薄膜中的Zn含量偏小。采用基片/Cd1-xZnxTe/Zn/Cd1-xZnxTe/Zn复合结构生长Cd1-xZnxTe薄膜材料，通过调节沉积Zn膜的厚度，经过快速退火，使Cd、Zn和Te晶粒相互扩散，从而达到增加Cd1-xZnxTe薄膜中Zn含量的目的。
附图说明
图1为本发明实施例制备的Cd1-xZnxTe薄膜的透射率图谱。
图2为本发明实施例1制备的Cd1-xZnxTe薄膜的SEM图。
图3为本发明实施例2制备的Cd1-xZnxTe薄膜的SEM图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
实施例1
将玻璃衬底通过有机溶剂如丙酮或酒精等→去离子水→盐酸→去离子水清洗后，在超净环境下用氮气吹干。然后将玻璃衬底固定在磁控溅射腔室的基片台上，将Cd0.96Zn0.04Te靶和Zn靶安装在各自的靶枪上，将溅射腔真空抽至2.9×10-3Pa，然后在玻璃衬底上依次生长Cd0.96Zn0.04Te/Zn/Cd0.96Zn0.04Te/Zn薄膜，其厚度依次控制在400nm/50nm/1000nm/100nm。
Cd0.96Zn0.04Te膜的磁控溅射参数设定为：溅射功率36W，溅射气体为高纯Ar气，溅射气压为2.4Pa，基片温度为室温。
Zn薄膜的磁控溅射参数设定为：溅射功率36W，溅射气体为高纯Ar气，溅射气压为2.0Pa，基片温度为室温。
将此生长好的复合结构的薄膜放入快速退火炉中，抽真空至10Pa，通过调节针孔阀，控制通入的高纯空气的流量，使快速退火炉内的压强为7.5×104Pa，退火温度473K，退火时间40min，自然冷却到室温取出。
图1曲线1显示了用Cd0.96Zn0.04Te靶沉积的Cd0.96Zn0.04Te薄膜，在快速退火炉中，退火温度473K，退火时间40min，自然冷却到室温取出得到的透射图谱。曲线2显示了本实施例1复合结构生长的Cd1-xZnxTe薄膜的透射图谱。从图可以看出，采用本实施例1复合结构生长的Cd1-xZnxTe薄膜的Zn含量有了明显增加。
图2显示了采用本实施例1复合结构生长的Cd1-xZnxTe薄膜的SEM图。从图中可以看出，制得的Cd1-xZnxTe薄膜均匀性好，表面平整度高，结晶性好，晶粒取向度高，结构致密。
实施例2
将玻璃衬底通过有机溶剂如丙酮或酒精等→去离子水→盐酸→去离子水清洗后，在超净环境下用氮气吹干。然后将玻璃衬底固定在磁控溅射腔室的基片台上，将Cd0.96Zn0.04Te靶和Zn靶安装在各自的靶枪上，将溅射腔真空抽至2.9×10-3Pa，然后在玻璃衬底上依次生长Zn/Cd0.96Zn0.04Te/Zn/Cd0.96Zn0.04Te/Zn薄膜，其厚度依次控制在10nm/400nm/50nm/1000nm/100nm。
Cd0.96Zn0.04Te膜的磁控溅射参数设定为：溅射功率36W，溅射气体为高纯Ar气，溅射气压为2.4Pa，基片温度为室温。
Zn薄膜的磁控溅射参数设定为：溅射功率36W，溅射气体为高纯Ar气，溅射气压为2.0Pa，基片温度为室温。
将此生长好的复合结构的薄膜放入快速退火炉中，抽真空至10Pa，通过调节针孔阀，控制通入的高纯空气的流量，使快速退火炉内的压强为7.5×104Pa，退火温度473K，退火时间40min，自然冷却到室温取出。
图1中曲线3显示了本实施例2复合结构生长的Cd1-xZnxTe薄膜的透射图谱。从图可以看出，采用本实施例2复合结构生长的Cd1-xZnxTe薄膜的Zn含量有了明显增加。
图3显示了采用本实施例2复合结构生长的Cd1-xZnxTe薄膜的SEM图。从图中可以看出，制得的Cd1-xZnxTe薄膜均匀性好，表面平整度高，结晶性好，晶粒取向度高，结构致密。
Claims (2)
1.一种禁带宽度可调的碲锌镉薄膜材料的制备方法，其特征在于步骤如下：
A.基片清洗
清洗工艺过程为将基片通过有机溶剂丙酮或酒精→去离子水→盐酸→去离子水→在超净环境下氮气吹干；
B.Cd1-xZnxTe复合薄膜的生长
将基片固定在磁控溅射腔室的基片台上，将Cd1-xZnxTe靶，其组分x为0.04和Zn靶安装在各自的靶枪上，将溅射腔真空抽至2.9×10-3Pa，然后在基片上依次生长Cd1-xZnxTe/Zn/Cd1-xZnxTe/Zn薄膜，其厚度依次控制在100-1000nm/20-100nm/200-2000nm/20-1000nm；
或者在基片上依次生长Zn/Cd1-xZnxTe/Zn/Cd1-xZnxTe/Zn薄膜，其厚度依次控制在10-50nm/100-1000nm/20-100nm/200-2000nm/20-1000nm；
Cd1-xZnxTe薄膜的磁控溅射参数设定为：溅射功率20-50W，溅射气体为高纯Ar气，溅射气压为2.0-3.8Pa，基片温度为298-673K；
Zn薄膜的磁控溅射参数设定为：溅射功率30-50W，溅射气体为高纯Ar气，溅射气压为1.0-2.0Pa，基片温度为298-673K；
C.将上述生长好的复合结构薄膜放入快速退火炉中，抽真空至10Pa，通过调节针孔阀，控制通入的高纯空气的流量，使快速退火炉内的压强为7.5×104Pa，退火温度473-673K，退火时间20-40min，自然冷却到室温取出。
2.根据权利要求1的一种禁带宽度可调的碲锌镉薄膜材料的制备方法，其特征在于：所说的基片为玻璃片、镀Mo的不锈钢或镀Mo的聚酰亚胺。
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