CN102796988B - 一种溅射法制备高度取向的CuInS2外延薄膜的方法 - Google Patents

一种溅射法制备高度取向的CuInS2外延薄膜的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN102796988B
CN102796988B CN201210306684.9A CN201210306684A CN102796988B CN 102796988 B CN102796988 B CN 102796988B CN 201210306684 A CN201210306684 A CN 201210306684A CN 102796988 B CN102796988 B CN 102796988B
Authority
CN
China
Prior art keywords
cuins
target
epitaxial film
sample table
substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201210306684.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN102796988A (zh
Inventor
何云斌
方金钢
尚勋忠
王志强
黎明锴
常钢
周桃生
尹向阳
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hubei University
Mornsun Guangzhou Science and Technology Ltd
Original Assignee
Hubei University
Mornsun Guangzhou Science and Technology Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hubei University, Mornsun Guangzhou Science and Technology Ltd filed Critical Hubei University
Priority to CN201210306684.9A priority Critical patent/CN102796988B/zh
Publication of CN102796988A publication Critical patent/CN102796988A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102796988B publication Critical patent/CN102796988B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Physical Vapour Deposition (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

本发明公开了一种溅射法制备高度取向的CuInS2外延薄膜的方法，将清洗过的CuInS2靶材和衬底分别放在靶台和样品台上装入真空室，调整靶台与样品台之间的间距为30~60mm，开启样品台和靶台自转，并调节样品台的自转速度为8~12r/min，靶台的自转速度为4~6r/min，调节衬底的生长温度为100~700℃，激光器的脉冲能量为150~250mJ，激光脉冲频率为1~10Hz，开启激光器，进行溅射沉积10~60min，将CuInS2靶材表面原子溅射出来沉积在衬底表面形成CuInS2外延薄膜。该方法工艺简单，对设备要求低。

Description

一种溅射法制备高度取向的CuInS2外延薄膜的方法
技术领域
本发明涉及一种CuInS2外延薄膜的制备方法，具体涉及一种溅射法制备高度取向的CuInS2外延薄膜的方法。 
背景技术
在上个世纪70年代，贝尔实验室发现I-III-VI2化合物半导体CuInSe2具有光电转换效应。但是在随后发现CuInS2禁带宽度（Eg=1.5eV）比CuInSe2（Eg=1.02eV）宽，这使电池具有较高的开路电压从而提高电池光电转换效率，此外CuInS2也具有高吸收系数（104~105cm-3）、原料丰富、低成本、低毒性、无光致衰减等优点。作为新一代半导体薄膜太阳能电池吸收材料，得到广泛关注。理论上CuInS2薄膜电池的光电转换效率为28.5%，然而目前所报道的实际CuInS2薄膜电池的最高效率只有13%左右，究其原因是人们对CuInS2材料的电学性质、以及其作为电池吸收层材料的作用机理了解不深，目前对于该种材料研究重点在于电池转换效率的提高，而对其机理研究还不足。 
因此，近年来CuInS2外延薄膜被广泛用于研究CuInS2的电学性质，例如：掺杂类型、掺杂浓度、电子亲和势，电子空穴迁移率等等。同时也被用于研究CuInS2与窗口层ZnO、缓冲层的晶格匹配以及能带结构的研究。而制备高度取向的CuInS2外延薄膜是以上研究的第一步。 
目前，J.Eberhardt，Th.Hahn，R.Hunger，H.Metzner等利用分子束外延（MBE）方法制备得到CuInS2外延薄膜，目前CuInS2外延薄膜主要生长方法是分子束外延（MBE）以及金属有机物气相外延（MOVPE）等方法，这些方法工艺复杂，对设备要求高，生长速率低，难于控制两种以上V族元素，易出现表面形态的卵形缺陷、长须状缺陷及多晶生长。 
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供溅射法制备高度取向的CuInS2外延薄膜的方法，该方法工艺简单，对设备要求低。 
本发明的上述技术问题是通过如下技术方案来实现的：一种溅射法制备高度取向的CuInS2外延薄膜的方法，将清洗过的CuInS2靶材和衬底分别放在靶台和样品台上装入真空室，调整靶台与样品台之间的间距为30~60mm，开启样品台和靶台自转，并调节 样品台的自转速度为8~12r/min，靶台的自转速度为4~6r/min，调节衬底的生长温度为100~700℃，激光器的脉冲能量为150~250mJ，激光脉冲频率为1~10Hz，开启激光器，进行溅射沉积10~60min，将CuInS2靶材表面原子溅射出来沉积在衬底表面形成CuInS2外延薄膜。 
本发明的CuInS2靶材通过如下方法获得：取CuInS2粉末，加入去离子水进行球磨，球磨后进行干燥处理，在干燥后的CuInS2粉末中加入去离子水并混匀得混匀物，将混匀物置于模具中，压制成陶瓷坯片，进行烧结后即获得CuInS2靶材。 
在CuInS2靶材的制备过程中：取CuInS2粉末，加入占其总重量的80~100%的去离子水进行球磨，球磨后调解温度为60~100℃进行真空干燥处理。 
在CuInS2靶材的制备过程中：在干燥后的CuInS2粉末中加入占其总重量为8~12%的去离子水并混匀得混匀物。 
在CuInS2靶材的制备过程中：球磨时的转速为120~200r/min，球磨时间为3~5h。 
在CuInS2靶材的制备过程中：烧结时将陶瓷坯片置于真空管式炉中以升温速率为200℃/h加热至920~980℃并保温1~2h。 
本发明所述衬底为C轴取向的蓝宝石和Si（111）衬底。 
本发明CuInS2靶材清洗时采用包括丙酮、无水乙醇和去离子水中的一种或多种超声波清洗。 
与现有技术相比，本发明具有如下优点：本发明采用溅射法制备CuInS2外延薄膜的方法相对于其他例如分子束外延（MBE）、金属有机物气相外延（MOVPE）等常用于生长CuInS2外延薄膜的方法具有工艺简单、设备要求低等优点，为进一步研究吸收层CuInS2的电学性质、铜铟硫电池能带结构、载流子输运机制等具有重要意义和价值。 
附图说明
图1是本发明实施例1-5中制备的CuInS2陶瓷靶材的XRD-θ-2θ测试图谱； 
图2是本发明实施例1-5中制备的CuInS2外延薄膜的XRD-θ-2θ测试图谱； 
图3是本发明实施例1-5制备的CuInS2外延薄膜的XRD-Rocking curve测试图谱； 
图4是本发明实施例1-5制备的CuInS2外延薄膜的XRD-Phi scan测试图谱。 
具体实施方式
以下结合实施例来进一步解释本发明，但以下实施例并不对本发明做任何形式的限定。 
实施例1 
CuInS2陶瓷靶材通过以下方法制备获得： 
(1)称取一定量的购置的商业CuInS2粉末（纯度为99.999%，由四川阿波罗太阳能科技有限责任公司提供），放入球磨罐内，加入去离子水，去离子水的用量为CuInS2粉末总重量的80~100%，混合并球磨； 
(2)再将球磨后的粉料置入真空干燥箱干燥后，真空干燥时的温度为60~100℃，粉料中加入去离子水研磨均匀，去离子水的用量为干燥后CuInS2粉末的8~12%，混匀得混匀物，将混匀物置于模具中，压制成所需要的陶瓷坯片； 
(3)将陶瓷坯片置入真空管式炉中以200℃/h的升温速率加热至920℃~980℃保温1h~2h进行烧结后，随炉自然降温至室温。制备获得的CuInS2陶瓷靶材的XRD-θ-2θ测试如图1所示。 
溅射法制备高度取向的CuInS2外延薄膜的方法的如下：采用C轴取向的蓝宝石作为衬底，将CuInS2陶瓷靶材依次用丙酮、无水乙醇、去离子水经超声波清洗器清洗10min，工作频率40kHz，将清洗过的CuInS2靶材和衬底分别放在靶台和样品台上装入真空室，调整靶台与样品台之间的间距为60mm，然后利用脉冲激光沉积设备在衬底生长温度300℃、激光脉冲能量150mJ、脉冲激光频率5Hz、样品台和靶台自转速度分别为10r/min和5r/min、沉积时间30min条件下制备CuInS2外延薄膜。 
CuInS2外延薄膜的XRD-θ-2θ测试如图2所示，XRD-rocking curve测试如图3所示，从XRD-θ-2θ测试结果看出所制备的CuInS2外延薄膜存在（112）晶面高度择优取向，XRD-phi scan如图4所示，图4的XRD-phi scan也表明薄膜为高度取向的外延膜。 
实施例2 
CuInS2陶瓷靶材的制备方法同实施例1。 
采用C轴取向的蓝宝石作为衬底，将CuInS2陶瓷靶材依次用丙酮、无水乙醇、去离子水经超声波清洗器清洗10min，工作频率40kHz，将清洗过的CuInS2靶材和衬底分别放在靶台和样品台上装入真空室，调整靶台与样品台之间的间距为60mm，然后利用脉冲激光沉积设备在衬底生长温度500℃、激光脉冲能量150mJ、脉冲激光频率5Hz、样品台和靶台自转速度分别为10r/min和5r/min、沉积时间30min条件下制备CuInS2外延薄膜。 
CuInS2外延薄膜的XRD-θ-2θ测试如图2所示，XRD-rocking curve测试如图3所示，从XRD-θ-2θ测试结果看出所制备的CuInS2外延薄膜存在（112）晶面高度择优取向， XRD-phi scan如图4所示，图4的XRD-phi scan也表明薄膜为高度取向的外延膜。 
实施例3 
CuInS2陶瓷靶材的制备方法同实施例1。 
采用C轴取向的蓝宝石作为衬底，讲CuInS2陶瓷靶材依次用丙酮、无水乙醇、去离子水经超声波清洗器清洗10min，工作频率40kHz，将清洗过的CuInS2靶材和衬底分别放在靶台和样品台上装入真空室，调整靶台与样品台之间的间距为60mm，然后利用脉冲激光沉积设备在衬底生长温度700℃、激光脉冲能量150mJ、脉冲激光频率5Hz、样品台和靶台自转速度分别为10r/min和5r/min、沉积时间30min条件下制备CuInS2外延薄膜。 
CuInS2外延薄膜的XRD-θ-2θ测试如图2所示，XRD-rocking curve测试如图3所示，从XRD-θ-2θ测试结果看出所制备的CuInS2外延薄膜存在（112）晶面高度择优取向，图3的（112）面XRD-rocking curve也显示700℃生长温度时半高宽仅为0.17°，XRD-phiscan如图4所示，图4的XRD-phi scan也表明薄膜为高度取向的外延膜，CuInS2(112)晶面平行于蓝宝石(0001)晶面，且CuInS2{204}晶面平行于蓝宝石{104}晶面。 
实施例4 
CuInS2陶瓷靶材的制备方法同实施例1。 
采用C轴取向的蓝宝石作为衬底，将CuInS2陶瓷靶材依次用丙酮、无水乙醇、去离子水经超声波清洗器清洗10min，工作频率40kHz，将清洗过的CuInS2靶材和衬底分别放在靶台和样品台上装入真空室，调整靶台与样品台之间的间距为60mm，然后利用脉冲激光沉积设备在衬底生长温度300℃、激光脉冲能量200mJ、脉冲激光频率8Hz、样品台和靶台自转速度分别为12r/min和4r/min、沉积时间60min条件下制备CuInS2外延薄膜。 
XRD-θ-2θ测试如图2所示，XRD-rocking curve测试如图3所示，XRD-phi scan如图4所示，从XRD-θ-2θ测试结果看出所制备的CuInS2外延薄膜存在（112）晶面择优取向。 
实施例5 
CuInS2陶瓷靶材的制备方法同实施例1。 
采用C轴取向的蓝宝石作为衬底，将CuInS2陶瓷靶材依次用丙酮、无水乙醇、去离子水经超声波清洗器清洗10min，工作频率40kHz，将清洗过的CuInS2靶材和衬底分别放在靶台和样品台上装入真空室，调整靶台与样品台之间的间距为40mm，然后利用脉冲激光沉积设备在衬底生长温度200℃、激光脉冲能量250mJ、脉冲激光频率10Hz、 样品台和靶台自转速度分别为8r/min和6r/min、沉积时间10min条件下制备CuInS2外延薄膜。 
XRD-θ-2θ测试如图2所示，XRD-rocking curve测试如图3所示，XRD-phi scan如图4所示，从XRD-θ-2θ测试结果看出所制备的CuInS2外延薄膜存在（112）晶面择优取向。 
上述CuInS2靶材的制备方法中的各参数如去离子水的用量，球磨后真空干燥处理的温度60~100℃，球墨的转速、球墨的时间、陶瓷坯片烧结时的温度设置及烧结时间等参数在上述实施例1-5的合理范围内进行选取均可，此处不再一一列举，制备获得的CuInS2靶材均可作为溅射法制备高度取向的CuInS2外延薄膜的原料；此外，CuInS2靶材的清洗方式除可以采用依次用丙酮、无水乙醇、去离子水经超声波清洗器清洗10min，工作频率40kHz之外，还可以采用其中的丙酮、无水乙醇、去离子水中的一种或多种超声波清洗。 
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围。 

Claims (5)

1.一种溅射法制备高度取向的CuInS2外延薄膜的方法，其特征是：将清洗过的CuInS2靶材和衬底分别放在靶台和样品台上装入真空室，调整靶台与样品台之间的间距为30~60mm，开启样品台和靶台自转，并调节样品台的自转速度为8~12r/min，靶台的自转速度为4~6r/min，调节衬底的生长温度为100~700℃，激光器的脉冲能量为150~250mJ，激光脉冲频率为1~10Hz，开启激光器，进行溅射沉积10~60min，将CuInS2靶材表面原子溅射出来沉积在衬底表面形成CuInS2外延薄膜；所述衬底为C轴取向的蓝宝石；
CuInS2靶材通过如下方法获得：取CuInS2粉末，加入去离子水进行球磨，球磨后进行干燥处理，在干燥后的CuInS2粉末中加入去离子水并混匀得混匀物，将混匀物置于模具中，压制成陶瓷坯片，进行烧结后即获得CuInS2靶材，其中烧结时将陶瓷坯片置于真空管式炉中以升温速率为200℃/h加热至920~980℃并保温1~2h。
2.根据权利要求1所述的溅射法制备高度取向的CuInS2外延薄膜的方法，其特征是：取CuInS2粉末，加入占其总重量的80~100%的去离子水进行球磨，球磨后调解温度为60~100℃进行真空干燥处理。
3.根据权利要求1所述的溅射法制备高度取向的CuInS2外延薄膜的方法，其特征是：在干燥后的CuInS2粉末中加入占其总重量为8~12%的去离子水并混匀得混匀物。
4.根据权利要求1所述的溅射法制备高度取向的CuInS2外延薄膜的方法，其特征是：球磨时的转速为120~200r/min，球磨时间为3~5h。
5.根据权利要求1所述的溅射法制备高度取向的CuInS2外延薄膜的方法，其特征是：CuInS2靶材清洗时采用包括丙酮、无水乙醇和去离子水中的一种或多种超声波清洗。
CN201210306684.9A 2012-08-24 2012-08-24 一种溅射法制备高度取向的CuInS2外延薄膜的方法 Active CN102796988B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201210306684.9A CN102796988B (zh) 2012-08-24 2012-08-24 一种溅射法制备高度取向的CuInS2外延薄膜的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201210306684.9A CN102796988B (zh) 2012-08-24 2012-08-24 一种溅射法制备高度取向的CuInS2外延薄膜的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102796988A CN102796988A (zh) 2012-11-28
CN102796988B true CN102796988B (zh) 2014-09-03

Family

ID=47196280

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201210306684.9A Active CN102796988B (zh) 2012-08-24 2012-08-24 一种溅射法制备高度取向的CuInS2外延薄膜的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN102796988B (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103233202B (zh) * 2013-02-19 2015-10-28 广州金升阳科技有限公司 一种利用脉冲激光沉积法制备CuInS2纳米棒的方法
CN104388894B (zh) * 2014-12-09 2018-09-21 湖北大学 脉冲激光沉积制备低带隙铁电光伏薄膜的方法
CN104790029B (zh) * 2015-04-27 2017-06-30 湖北大学 一种制备SnO外延薄膜的方法
CN108080645B (zh) * 2017-12-18 2020-10-09 南通金源智能技术有限公司 一种降低316l不锈钢球形粉末空心率的方法
CN114892276A (zh) * 2022-04-01 2022-08-12 电子科技大学长三角研究院(湖州) 一种尖晶石类硫化物薄膜材料及其制备方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1999010932A1 (en) * 1997-08-22 1999-03-04 Free Energy Europe B.V. A method of manufacturing solar cells, particularly thin film solar cells, and solar cells obtained by using such a method
CN101369258A (zh) * 2006-01-17 2009-02-18 株式会社Ntt都科摩 输入输出控制系统

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1046325A (ja) * 1996-07-29 1998-02-17 Stanley Electric Co Ltd ＣｕＩｎＳ２ 薄膜の作製方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1999010932A1 (en) * 1997-08-22 1999-03-04 Free Energy Europe B.V. A method of manufacturing solar cells, particularly thin film solar cells, and solar cells obtained by using such a method
CN101369258A (zh) * 2006-01-17 2009-02-18 株式会社Ntt都科摩 输入输出控制系统

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
J.Levoska.Pulsed Laser Ablation Deposition of CuInSe2 and CuInGaSe2 Thin Film.《Physica Scripta》.1994,
JP特开平10-46325A 1998.02.17
Pulsed Laser Ablation Deposition of CuInSe2 and CuInGaSe2 Thin Film;J.Levoska;《Physica Scripta》;19940615;2-5页 *
WO9910932A1A1 1999.03.04

Also Published As

Publication number Publication date
CN102796988A (zh) 2012-11-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102796988B (zh) 一种溅射法制备高度取向的CuInS2外延薄膜的方法
Rijal et al. Templated growth and passivation of vertically oriented antimony selenide thin films for high‐efficiency solar cells in substrate configuration
Colegrove et al. High-efficiency polycrystalline CdS/CdTe solar cells on buffered commercial TCO-coated glass
CN102800747A (zh) 一种ZnS包覆的ZnO纳米阵列核壳结构的制备方法
JP4549193B2 (ja) カルコパイライト型薄膜太陽電池及びその製造方法
CN107946393B (zh) 基于SnTe作为背电极缓冲层的CdTe薄膜太阳能电池及其制备方法
CN102306685B (zh) 一种铜锌锡硫薄膜太阳能电池吸收层的低成本制备方法
CN111599890A (zh) 一种基于氧化镓/二硫化钼二维异质结的高速光电探测器
KR101583026B1 (ko) Ｃｚｔｓ계 태양전지용 박막의 제조방법
Sheu et al. The effect of Cu concentration in the photovoltaic efficiency of CIGS solar cells prepared by co-evaporation technique
CN103400903A (zh) 一种提高铜锌锡硫薄膜晶粒尺寸和致密度的制备方法
CN104766896B (zh) 一种具有梯度结构的铜铟镓硒薄膜太阳能电池及其制备方法
US20170207362A1 (en) Method for forming thin film having sulfide single-crystal nanoparticles
CN103474511A (zh) 铜铟镓硒光吸收层的制备方法及铜铟镓硒薄膜太阳能电池
WO2013185506A1 (zh) 一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池的制备方法
CN102214737B (zh) 太阳能电池用化合物薄膜的制备方法
CN102629645A (zh) 一种新型CdS-CdZnTe薄膜太阳能电池制备方法
CN101527261B (zh) 一种可改善硫族半导体薄膜性能的水热处理方法
CN107134507B (zh) 具有梯度成分太阳能电池吸收层铜铟硫硒薄膜的制备方法
CN102544230A (zh) 一种生长可变禁带宽度的Cd1-xZnxTe薄膜的方法
CN103318851A (zh) 铜铟镓硫硒太阳能电池、薄膜吸收层及其制备方法
CN115768917A (zh) 用于钙钛矿太阳能模块的快速混合化学气相沉积
CN110194780B (zh) 一种具有光电导效应的有机无机杂化材料晶体及其应用
Wu et al. Characterization of Cu (In, Ga) Se2 thin films prepared via a sputtering route with a following selenization process
CN105489672A (zh) 一种氯化物体系两步法制备铜铟硒光电薄膜的方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant