CN102888584B - 一种基于金刚石薄膜上沉积CdTe薄膜的方法 - Google Patents

一种基于金刚石薄膜上沉积CdTe薄膜的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于金刚石薄膜上沉积CdTe薄膜的方法。具有以下工艺步骤：首先，将硅衬底/金刚石薄膜进行清洗预处理；之后，将预处理后的金刚石薄膜放入紫外臭氧清洗机中进行表面修饰与改性，降低薄膜表面的带隙与表面态，提高薄膜结合力；之后，进行CdTe薄膜沉积，沉积工艺参数：衬底温度为450～500℃，源温度为550～650℃，沉积室压强为500～1500Pa，沉积时间1～2分钟；CdTe薄膜沉积结束后CdCl2退火处理20～30分钟。通过该方法可以在金刚石薄膜表面沉积高质量的CdTe薄膜，从而实现金刚石薄膜表面CdTe薄膜的高效沉积。

Description

一种基于金刚石薄膜上沉积CdTe薄膜的方法
技术领域
本发明涉及一种基于金刚石薄膜上沉积CdTe（碲化镉）薄膜的方法，属于无机化合物薄膜材料制造工艺技术领域。
背景技术
能源和环境问题是近十几年来世界关注的焦点，“节能减排、可持续发展”已是当今世界的共识和发展趋势。我国已把“节能减排、安全环保、发展循环经济、推广低碳技术”作为“十二五”期间能源利用与发展的重点方向和目标。我国从1958年开始研制太阳能电池到现在已有50多年的历史，现在已有多种材料的太阳电池已进入产业化，使用最广泛的还是晶体硅太阳能电池，但是由于晶体硅太阳能电池的原材料使用量非常大并且多晶硅的生产耗能高、污染严重。目前国家比较重视薄膜太阳能电池的开发与应用。
CdTe是一种非常具有应用前景的化合物半导体光伏材料，具有良好的直接带隙（1.45eV）与太阳光谱匹配较好，最适合于光电能量转换，最高理论转换效率在大气质量AM1.5条件下高达27％。CdTe容易沉积成大面积薄膜，沉积速率非常高，适量掺杂Cd元素可以有效改善CdTe薄膜的晶形，显著提高薄膜的电导特性，由弱p型电导转变为导电性能良好的n型电导，而且对光能隙基本没有影响，目前n型CdTe薄膜的沉积技术已经非常成熟。由于CdTe薄膜太阳能电池含有重金属元素镉，很多人担心CdTe太阳能电池生产和使用对环境的影响。根据美国布鲁克文国家实验室科学家们的研究，在晶体硅太阳能电池、CdTe太阳能电池和煤、石油、天然气等常规能源以及核能单位发电量的重金属排放量中，石油的镉排放量最高，达到44.3g/GWh，而太阳能电池的排放量均小于1g/GWh，其中CdTe电池的镉排放量最低，为0.3g/GWh。由此可见，CdTe太阳能电池的生产及使用过程不会对环境产生危害。由于CdTe薄膜太阳能电池的制造成本较低，是一种应用前景较好的新型太阳能电池，因此CdTe薄膜太阳能电池的发展受到国内外的广泛关注，已成为美、德、日等国研发的主要对象。
近年来，太阳能电池的研究方向是高转换效率、低成本和高稳定性。因此，以CdTe薄膜太阳能电池为代表的薄膜太阳电池倍受关注。西门子开发的面积为3600 cm2的CdTe薄膜太阳能电池转换效率达到11.1%的水平；美国国家可再生能源实验室公布了Solar Cells公司的面积为6879 cm2的CdTe薄膜太阳能电池的测试结果，其转换效率达到7.7%；Bp Solar的CdTe薄膜太阳能电池面积为4540 cm2，转换效率为8.4%，面积为706 cm2，转换效率达到10.1%；Goldan Photon的CdTe薄膜太阳能电池，面积为3528 cm2，转换效率为7.7%。然而，以上介绍的这些太阳能电池由于不耐高温、抗辐照性能弱，只能应用于地面工作，不能应用于空间中。为了克服这一缺点，本发明将耐高温、耐腐蚀、抗辐射性能好的金刚石引入到太阳能电池的开发制造中，使用金刚石薄膜做CdTe薄膜太阳能电池的窗口层材料。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种基于金刚石薄膜上沉积CdTe薄膜的方法，能够解决金刚石薄膜与CdTe薄膜之间的结合力，是在金刚石薄膜上成功制备CdTe薄膜的关键。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于金刚石薄膜上沉积CdTe薄膜的方法，所述材料结构为硅衬底/金刚石薄膜/CdTe薄膜构成，该方法具有以下工艺步骤：
a. 金刚石薄膜表面预处理：采用硅衬底负载金刚石薄膜作为CdTe薄膜的沉积衬底，采用丙酮超声清洗5~15min，去除金刚石薄膜表面的油脂，然后去离子水超声清洗10~20min去除表面杂质，最后将金刚石薄膜烘干后放入干燥器中备用。
b. 金刚石薄膜表面改性与修饰：将预处理好的金刚石薄膜放入紫外臭氧清洗机中进行表面改性与修饰，改变金刚石薄膜界面处的带隙和界面态，以降低接触势垒，提高异质薄膜之间的结合力，紫外线波长185nm和254nm，温度50~150℃，处理时间1~8min。
c. CdTe薄膜的沉积：在表面修饰和改性后的金刚石薄膜表面近空间升华沉积CdTe薄膜，升华源为高纯CdTe粉末。使用真空泵将升华炉抽真空至5Pa以下，然后用分子泵对升华炉抽真空至10-3Pa以下。Ar气流量5~20ml/min，反应室气压500~1500Pa，升华源温度为550~650℃，衬底温度450~550℃，升华源与衬底间距离为1~5mm，升华时间为1~5min。
d. CdTe薄膜的退火处理：对CdTe薄膜进行CdCl2退火处理，溅射靶材为高纯CdCl2，Ar气流量5~20ml/min，反应室气压为500~1500Pa，溅射功率为100~500W，溅射时间为10~20min。溅射完成后继续通入Ar气作保护气，保持衬底温度为400~500℃退火10~30min。最终获得与金刚石薄膜有一定结合力的CdTe薄膜。
上述金刚石薄膜为多晶薄膜，包括纳米金刚石薄膜、微米级金刚石薄膜、定向金刚石薄膜、掺杂金刚石薄膜或未掺杂金刚石薄膜。
紫外臭氧清洗机的低压紫外汞灯能同时发射波长254nm和185nm的紫外光，这两种波长的光子能量可以直接打开和切断有机物分子中的共价键，使有机物分子活化，分解成离子、游离态原子、受激分子等。与此同时，185nm波长紫外光的光能量能将空气中的氧气（O2）分解成臭氧（O3）；而254nm波长的紫外光的光能量能将O3分解成O2和活性氧（O），这个光敏氧化反应过程是连续进行的，在这两种短波紫外光的照射下，臭氧会不断的生成和分解，活性氧原子就会不断的生成，而且越来越多，由于活性氧原子（O）有强烈的氧化作用，与活化了的有机物（即碳氢化合物）分子发生氧化反应，生成挥发性气体（如CO2，CO，H2O，NO等）逸出物体表面，从而彻底清除了粘附在物体表面上的有机污染物。
与现有技术相比，本发明具有如下的突出的优点：
本发明通过紫外线和臭氧对金刚石薄膜衬底进行表面改性与修饰，可以有效地实现金刚石薄膜表面的原子清洁度，改变纳米金刚石薄膜界面处的带隙和界面态，极大的提高基体表面润湿性，增强基体表面的粘合力。
附图说明
图1是本发明制备的CdTe的SEM图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1
本发明的技术方案如下：一种基于金刚石薄膜上CdTe薄膜的沉积方法，具有以下工艺步骤：
a.采用硅衬底/金刚石薄膜作为CdTe薄膜的沉积衬底，采用丙酮超声清洗5~15min，以去除金刚石薄膜表面的油脂，然后去离子水超声清洗10~20min去除表面杂质。
b.将步骤a预处理好的金刚石薄膜放入紫外臭氧清洗机中进行表面改性与修饰，改变纳米金刚石薄膜界面处的带隙和界面态，以降低接触势垒，提高异质薄膜之间的结合力，紫外线波长185nm和254nm，温度100℃，处理时间5min。
c.将步骤b表面修饰和改性后的衬底放入近空间升华炉样品台上，升华源为高纯的CdTe粉末。使用真空泵将升华炉抽真空至5Pa以下，然后用分子泵对升华炉抽真空至10-3Pa以下。Ar气流量15ml/min，反应室气压1000Pa，升华源温度为600℃，衬底温度450℃，升华源与衬底距离为3mm，升华时间为2min，CdTe薄膜厚度10μm。
d.将步骤c沉积好的CdTe薄膜放入磁控溅射仪的样品台上进行CdCl2退火处理，溅射靶材为高纯CdCl2，先用真空泵对溅射室抽真空至5Pa以下，然后用分子泵对反应室抽真空至10-3Pa以下。Ar气流量15ml/min，反应室气压为1000Pa，溅射功率为300W，溅射时间为15min。溅射完成后继续通入Ar气作保护气，保持衬底温度为450℃退火30min。
e.获得高质量的CdTe薄膜，图1是样品的SEM图，从图1中可以看出，薄膜表面平整、晶粒均匀。
实施例2
本实施例具有以下工艺步骤：
a.采用硅衬底/金刚石薄膜作为CdTe薄膜的沉积衬底，采用丙酮超声清洗5~15min，以去除金刚石薄膜表面的油脂，然后去离子水超声清洗10~20min去除表面杂质。
b.将步骤a预处理好的金刚石薄膜放入紫外臭氧清洗机中进行表面改性与修饰，改变纳米金刚石薄膜界面处的带隙和界面态，以降低接触势垒，提高异质薄膜之间的结合力，紫外线波长185nm和254nm，温度50℃，处理时间8min。
c.将步骤b表面修饰和改性后的衬底放入近空间升华炉样品台上，升华源为高纯的CdTe粉末。使用真空泵将升华炉抽真空至5Pa以下，然后用分子泵对升华炉抽真空至10-3Pa以下。Ar气流量5ml/min，反应室气压1500Pa，升华源温度为550℃，衬底温度500℃，升华源与衬底距离为5mm，升华时间为5min，CdTe薄膜厚度15μm。
d.将步骤c沉积好的CdTe薄膜放入磁控溅射仪的样品台上进行CdCl2退火处理，溅射靶材为高纯CdCl2，先用真空泵对溅射室抽真空至5Pa以下，然后用分子泵对反应室抽真空至10-3Pa以下。Ar气流量5ml/min，反应室气压为1500Pa，溅射功率为100W，溅射时间为20min。溅射完成后继续通入Ar气作保护气，保持衬底温度为450℃退火20min。
e.获得CdTe薄膜。
实施例3
本实施例具有以下工艺步骤：
a.采用硅衬底/金刚石薄膜作为CdTe薄膜的沉积衬底，采用丙酮超声清洗5~15min，以去除金刚石薄膜表面的油脂，然后去离子水超声清洗10~20min去除表面杂质。
b.将步骤a预处理好的金刚石薄膜放入紫外臭氧清洗机中进行表面改性与修饰，改变纳米金刚石薄膜界面处的带隙和界面态，以降低接触势垒，提高异质薄膜之间的结合力，紫外线波长185nm和254nm，温度150℃，处理时间1min。
c.将步骤b表面修饰和改性后的衬底放入近空间升华炉样品台上，升华源为高纯的CdTe粉末。使用真空泵将升华炉抽真空至5Pa以下，然后用分子泵对升华炉抽真空至10-3Pa以下。Ar气流量20ml/min，反应室气压500Pa，升华源温度为650℃，衬底温度550℃，升华源与衬底距离为1mm，升华时间为1min，CdTe薄膜厚度5μm。
d.将步骤c沉积好的CdTe薄膜放入磁控溅射仪的样品台上进行CdCl2退火处理，溅射靶材为高纯CdCl2，先用真空泵对溅射室抽真空至5Pa以下，然后用分子泵对反应室抽真空至10-3Pa以下。Ar气流量20ml/min，反应室气压为500Pa，溅射功率为500W，溅射时间为10min。溅射完成后继续通入Ar气作保护气，保持衬底温度为450℃退火10min。
e.获得CdTe薄膜。

Claims (2)

1.一种基于金刚石薄膜上沉积CdTe薄膜的方法，其特征在于：采用紫外臭氧氧化的方法对金刚石薄膜表面进行修饰与改性，以提高异质薄膜之间的结合力，该方法具有以下步骤：
a. 金刚石薄膜表面预处理：采用硅衬底负载金刚石薄膜作为CdTe薄膜的沉积衬底，采用丙酮超声清洗5~15min，去除金刚石薄膜表面的油脂，然后去离子水超声清洗10~20min去除表面杂质，最后将金刚石薄膜烘干后放入干燥器中备用；
b. 金刚石薄膜表面改性与修饰：将预处理好的金刚石薄膜放入紫外臭氧清洗机中进行表面改性与修饰，紫外线波长185nm和254nm，温度50~150℃，处理时间1~8min；
c. CdTe薄膜的沉积：在表面修饰和改性后的金刚石薄膜表面近空间升华沉积CdTe薄膜，升华源为高纯CdTe粉末；使用真空泵将升华炉抽真空至5Pa以下，然后用分子泵对升华炉抽真空至10-3Pa以下；Ar气流量5~20ml/min，反应室气压500~1500Pa，升华源温度为550~650℃，衬底温度450~550℃，升华源与衬底间距离为1~5mm，升华时间为1~5min；
d. CdTe薄膜的退火处理：对CdTe薄膜进行CdCl2退火处理，溅射靶材为高纯CdCl2，Ar气流量5~20ml/min，反应室气压为500~1500Pa，溅射功率为100~500W，溅射时间为10~20min；溅射完成后继续通入Ar气作保护气，保持衬底温度为400~500℃退火10~30min；最终获得与金刚石薄膜有一定结合力的CdTe薄膜。
2.如权利要求1所述的一种基于金刚石薄膜上沉积CdTe薄膜的方法，其特征在于，所述金刚石薄膜为多晶薄膜，包括纳米金刚石薄膜、微米级金刚石薄膜、定向金刚石薄膜、掺杂金刚石薄膜或未掺杂金刚石薄膜。
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