CN103409724A - 一种铜铟镓硒合金的制备工艺 - Google Patents

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杨国启
孙本双
王东新
钟景明
李彬
罗文�
吴红
岳坤
李军义
张丽
孙磊
白晓东
刘创红
刘兆刚
郑金凤
李娜
左婧懿
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Abstract

本发明涉及一种铜铟镓硒合金的制备工艺。其特点是，包括如下步骤：首先取In2Se3粉末、Ga2Se3粉末和铜粉末，按照In2Se3∶Ga2Se3∶Cu=1∶1～2∶1～8的摩尔比混合均匀后，填充于模具内，然后放入坩埚中，再将坩埚放在真空炉内进行热熔，控制温度1100℃～1300℃，保温40min～90min，然后再充入氩气加压至0.5～1大气压，最后出炉即得。本发明的优点是合理的选择了合金原料及组分，保证了后续铜铟镓硒靶材的顺利合成，并且产品的均匀性和织构等各项性能都很好。

Description

一种铜铟镓硒合金的制备工艺
技术领域
本发明涉及一种铜铟镓硒合金的制备工艺。
背景技术
铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池由于效率高、无衰退、抗辐射、寿命长、成本低廉等特点，是备受人们关注的一种新型光伏电池产品，经过近30年的研究和发展，其光电转化效率为所有已知薄膜太阳能电池中最高的。而且其光谱响应范围宽，在阴雨天条件下输出功率高于其他任何种类太阳电池，因而成为最有前途的光伏器件之一。
目前通常采用的铜铟镓硒（CIGS）薄膜制备工艺有共蒸发工艺-硒化工艺、分步磁控溅射-硒化工艺等，都获得了很好的转换效率。然而这些制备工艺由于工艺过程步骤较多且复杂，不利于薄膜的工艺控制。如目前采用的磁控溅射工艺是通过分层溅射Cu-Ga合金膜和In金属膜，最后固态硒蒸气硒化合金属膜获得铜铟镓硒（CIGS）薄膜。这种过程由于多种组分由不同的靶材提供，造成溅射工艺较为复杂。同时硒组分完全由后期硒化工艺提供，容易造成后期硒化过程中的薄膜质量问题。因此开发一种四元合金的铜铟镓硒（CIGS）靶材，通过磁控溅射一步沉积形成铜铟镓硒（CIGS）薄膜非常必要。
铜铟镓硒（CIGS）靶材的合成有以下几种方法：粉末冶金法、粉末冶金与真空熔炼、化学共沉淀法、真空熔炼法等。现有的几种方法都有各自的缺陷与不足。
发明内容
本发明的目的是提供一种成本低廉并且质量高的铜铟镓硒合金的制备工艺。
一种铜铟镓硒合金的制备工艺，其特别之处在于，包括如下步骤：首先取In2Se3粉末、Ga2Se3粉末和铜粉末，按照In2Se3，：Ga2Se3：Cu=1：1～2：1～8的摩尔比混合均匀后，填充于模具内，然后放入坩埚中，再将坩埚放在真空炉内进行热熔，控制温度1100℃～1300℃，保温40min～90min,然后再充入氩气加压至0.5～1大气压，最后出炉即得。
其中铜粉末采用高纯铜粉末。
本发明的优点是合理的选择了合金原料及组分，保证了后续铜铟镓硒靶材的顺利合成，并且产品的均匀性和织构等各项性能都很好。
具体实施方式
本发明采取的方法，其工艺步骤是：
1、将硒和铟相互混合，经多次的真空热熔、加压、冷却及研磨成粉的程序，而备制成硒/铟合金粉末；2、将硒和镓相互混合，经多次真空热融、加压、冷却及研磨成粉的程序，而备制成硒镓合金粉末。
本发明是将硒铟合金粉末、硒镓合金粉末以及铜粉充分混合而备制成加工材料粉末，直接将加工材料粉末填充于模具内，通过一般的加温升温（加热至少到硒的熔点温度）热融及加压程序，快速成型包括有铜（Cu）、铟（In）、镓（Ga）、硒（Se）相化合的靶材。
因此，本发明的侧重点是将低熔点、密度小、蒸汽压高的硒和镓先与铟（In）合金化。然后再与高纯铜（4N以上的金属铜）粉末一起直接加工成材料粉末填充于模具内，通过一般的加温升温（加热至少到硒的熔点温度）热融及加压程序，快速成型包括有铜（Cu）、铟（In）、镓（Ga）、硒（Se）相化合的靶材。
本发明的优点是通过设计铜铟镓硒靶材所用原料的不同组分，拉近了各组分的特性，保证了四元合金的顺利进行。
实施例1：
先取In2Se3粉末、Ga2Se3粉末和高纯铜粉末，按照摩尔比In2Se3，：Ga2Se3：Cu=1：1：6的比例混合均匀后，填充于模具内，然后放入坩埚中，再将坩埚放在真空炉内进行热熔，温度1150℃，保温80min，然后再充入氩气加压至0.9个大气压。最后出炉得到含铜、铟、镓、硒相的合金靶材用合金。
实施例2：
先取In2Se3粉末、Ga2Se3粉末和高纯铜粉末，按照摩尔比In2Se3，：Ga2Se3：Cu=1：1：2的比例混合均匀混合后，填充于模具内，然后放入坩埚中，再将坩埚放在真空炉内进行热熔，温度1200℃，保温70min，然后再充入氩气加压至0.9个大气压。最后出炉得到含铜、铟、镓、硒相的合金靶材用合金。
实施例3：
先取In2Se3粉末、Ga2Se3粉末和高纯铜粉末，按照摩尔比In2Se3，：Ga2Se3：Cu=1：1：1的比例混合均匀混合后，填充于模具内，然后放入坩埚中，再将坩埚放在真空炉内进行热熔，温度1200℃，保温70min，然后再充入氩气加压至0.9个大气压。最后出炉得到含铜、铟、镓、硒相的合金靶材用合金。
实施例4：
先取In2Se3粉末、Ga2Se3粉末和高纯铜粉末，按照摩尔比In2Se3，：Ga2Se3：Cu=1：1：4的比例混合均匀混合后，填充于模具内，然后放入坩埚中，再将坩埚放在真空炉内进行热熔，温度1200℃，保温70min，然后再充入氩气加压至0.8个大气压。最后出炉得到含铜、铟、镓、硒相的合金靶材用合金。
利用该反应体系对进行的上述四组实施例进行分析，对比结果如下表。
（各组分所占的摩尔百分比：%）
批号 铜(Cu) 铟(In) 镓(Ga) 硒(Se)
试样-1 0.98 0.29 0.29 0.9
试样-2 1 0.98 0.97 2.85
试样-3 0.5 1 0.98 2.9
试样-4 2 0.99 0.99 2.85
试样1-4对应上述实施例1-4。
分析数据表明样品的各组分摩尔百分比处硒有少量损失外，其余各组分与设计要求基本一致。
分析以上数据可以得出，本发明提出的设计方案可以解决合金靶材各组分不均匀的问题。

Claims (2)

1.一种铜铟镓硒合金的制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：首先取In2Se3粉末、Ga2Se3粉末和铜粉末，按照In2Se3，：Ga2Se3：Cu=1：1～2：1～8的摩尔比混合均匀后，填充于模具内，然后放入坩埚中，再将坩埚放在真空炉内进行热熔，控制温度1100℃～1300℃，保温40min～90min,然后再充入氩气加压至0.5～1大气压，最后出炉即得。
2.如权利要求1所述的一种铜铟镓硒合金的制备工艺，其特征在于：其中铜粉末采用高纯铜粉末。
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