李亚明 —CIA金属预置层

CIAS薄膜太阳电池吸收层前驱膜的制备,姓名李亚明导师马剑平,主要内容,研究背景主要研究内容研究方案课题的主要难点及拟采取的解决方案预期研究成果,太阳能电池,太阳能电池的分类,无机太阳能电池,有机太阳能电池,光化学太阳能电池,化合物半导体,半导体硅,单晶硅多晶硅非晶硅,GaAsCuInSe2CdTeInP,酞菁锌、聚苯胺、聚对苯乙炔等,纳米TiO2,太阳能光伏系统有着广阔的应用前景，现已遍及农业、牧业、交通运输、通讯事业、广播电视、民用电器、气象、地震、医疗卫生，军事国防等各个领域。,无机太阳能电池,CIAS的提出,CIS材料带隙为1.04eV，偏离了太阳能电池的最佳能隙位置，影响了转化效率的提高,形成的CIGS混合晶体其禁带宽度在1.02到1.70内可调，带隙宽度为1.4eV的CIGS薄膜所要求的Ga含量摩尔系数高达0.6，实验中很难达到,形成CuIn1xAlxSe2(CIAS)得到理想的带宽（Eg=1.4eV）所要求的摩尔系数x仅为0.20.35，同样具有黄铜系太阳能电池薄膜材料禁带宽度可调、光吸收系数高，Al比Ga便宜,用Al来代替Ga,CIS中掺入适量的Ga部分代替In,CIS材料,国内外研究现状,工艺介绍-多源共蒸发法,缺点薄膜均匀性难控制，材料浪费严重，薄膜与衬底结合力不牢固，重复性差。,工艺介绍-溅射后硒化法,磁控溅射法的工艺参数易于控制。通过控制工作气压、溅射功率、Ar气流量、溅射顺序这些参数就可制备出性能比较好的CIA金属预置层。能更方便的调节各元素的化学计量比，制备出的CIA薄膜比较致密,大面积均匀性好，溅射法沉积速率高,产量大。脉冲磁控溅射技术具有沉积所需温度低、沉积速度快、溅射稳定等。防止靶材中毒、阳极消失、靶面和电极间打火。,本文提出直流脉冲磁控溅射制备CIA金属预制层，考虑靶功率密度，工作气压，Ar气流量，靶基距，工艺条件，研究实现预置层CIA中Al/(In+Al)组分比连续可调的主要工艺条件。,CIA金属预置层,常温下，CuInSe2的禁带宽度为1.04eV,CuAlSe2的禁带宽度为2.7eV;利用Vegard定律：Eg(x)=(1-x)Eg(A)+xEg(B)-bx(1-x)实现控制x的变化来控制CIAS的禁带宽度。从而得出x的取值范围约为0.07x0.34时，CIAS的禁带宽度为1.101.38eV。对于CIA试样，理想组分是Cu/(In+Al)原子比接近1，同时Al/(In+Al)原子比可调，即为0.070.34，考虑成CIAS膜硒化过程对Al/(In+Al)的可能影响，希望作为前驱膜的Cu/(In+Al)原子比略小于1。,研究的主要内容,（1）用Cu靶，In靶，Al靶，采用直流脉冲磁控溅射法，制备CuInAl膜；（2）用CuIn和CuAl合金作靶材，采用直流脉冲磁控溅射法制作薄膜太阳电池吸收层的金属预置层CIA；（3）通过调整工艺条件，改变工作气压、溅射时间、靶电流、功率密度、脉冲占空比、脉冲频率、溅射顺序等工艺参数制备CIA金属预置层实验样品；（4）利用微结构分析手段表征薄膜性能，建立薄膜质量与工艺参数的关系，分析生长条件对薄膜组分、化学计量比、微结构和表面形貌等膜层性能及微结构特性的影响，得到前驱膜A1含量控制工艺。,研究方案,(1)用Cu靶，采用直流脉冲磁控溅射法，溅射Cu膜然后换作In靶，溅射CuIn膜，在换作Al靶，溅射CuInAl膜；(2)用CuIn做靶材，采用直流脉冲磁控溅射法，然后换作CuAl靶材；(3)用CuAl做靶材，采用直流脉冲磁控溅射法，然后换作CuIn靶材；(4)用CuIn和CuAl双靶溅射，通过控制基片转速；(5)用CuIn和CuAl双靶溅射，两靶夹角为60。,课题的主要难点及拟采取的解决方案,质量守恒定律：合金在稳定溅射时各元素的溅射产额比例与体合金材料的成分比例一致。由于不同的金属有不同的溅射速率，溅射成薄膜的化学组成可能会偏离靶材的化学组成。故定制CuIn组分比为1：1，CuAl组份比为1：0.32；,高氩气氛围起辉后，降低真空室氩气浓度，同时调节靶率，频率，使得溅射起辉到达自持状态；,溅射到达稳定状态后，在工作气压、溅射时间、靶电流、脉冲占空比、脉冲频率不变的情况下调节Ar气流量，对溅射出不同的样品进行测试分析；同理，依次控制其中一个工艺条件对溅射出不同的样品进行测试分析，得出能控制Al组分明显改变的主要工艺条件。,课题的主要难点,工艺的确定,合金靶的组份比的订制,实现Al组分可控的主要工艺条件及其的控制,先用Cu，In，Al靶溅射叠层的CIA薄膜；再用CuIn和CuAl合金作靶材制备CIA薄膜，测试两种方案的薄膜特性，比较两种工艺的实现难度得出合适的工艺方案；,溅射到达稳定起辉状态的调节,拟采取的主要方案,实验中可控的工艺条件,预期研究成果,制备CIA薄膜，得到控制Al组分连续可调的主要工艺条件。（1）合金膜成分利用扫描电镜的能谱分析（EDS）测试薄膜试样中Cu,In,Al元素的成分及比例，Cu/(In+Al)接近1，Al/(In+Al)组份随工艺条件控制，且其范围应在0.070.34。（2）各元素分布均匀性EDS面扫描法，分析CIA合金膜中Cu,In,Al原子面分布，做到微米尺度里均匀。（3）薄膜表面形貌SEM观察CIA表面形貌，得出CIA表面形貌，尺寸，包括（富铟相，富铝相）薄膜晶体结构。（4）XRD分析CIA薄膜中出现3种相，Cu11In9,CuIn,In单质，分析随着工艺条件的改变，各种相的变化，得出适合CIAS的预置层。,课题进度安排,2009.092009.10学习CIS类薄膜太阳电池基本理论知识，查阅相关文献，设计实验过程，确定实验内容与实验预期结果。2009.112009.12进行理论分析，确定实验方案，购买靶材，撰写开题报告。2010.012010.10进行实验，做