衬底温度对共蒸法制备cigs薄膜结构和形貌的影响_杨伟锋

衬底温度对共蒸法制备CIGS薄膜结构和形貌的影响_杨伟锋第卷第期材料科学与工程学报总第期（）文章编号衬底温度对共蒸法制备薄膜结构和形貌的影响孙永健，郭射宇杨伟锋，）（江苏南京苏州羿日新能源有限公司，江苏苏州南京工业大学，；）薄膜，摘要】研究讨论不同衬底温度条件对制得薄膜结【采用一步共蒸法制备铜铟镓硒（与扫描电子显微镜（进行检测。构和形貌的影响。薄膜的结构和形貌分别利用射线衍射（）开始有结果表明，衬底温度对当温度为随薄膜的生长有很大的影响，时，晶相生成；生成了结晶度较好（择优取向的着温度的升高晶体颗粒逐渐增大；当温度达到时，）制得的薄膜初步达到制备电池的条件。相，【关键词】；一步法；薄膜太阳电池；衬底温度中图分类号文献标识码，；（，），【】）（），（）（）（），】【；吸收层是薄膜太阳电池的关键组成结构，薄膜的制备也成为了研究的重点。目前薄膜的制备方法主要有两种真空共蒸发沉积和溅射，。蒸镀法制备后硒化薄膜是目前较为成熟引言近年来，随着科技的不断发展，能源和环境已经成为人类社会必须面临的两大主要问题。能源危机及传统能源对环境造成的污染日趋严重，开发环保能源成为人类面临的重大课题，因此新能源也将成为世纪科学研究的重要领域之一。而太阳能作为绿色可再生。薄膜太阳电池能源是最具前途的方式之一电池具有吸收系数高、成本低、性能）（的方法，并且蒸发法可分为一步法，二步法及三步。目前，法德国利用三步法制备的薄膜打破了太阳电池效率已经达到，在年创下的记录。其优点是制得的薄膜致密均匀，成分可以调控，特别是通过调节元素在吸收层纵向分布来实现禁带宽度梯度结构较为容易。但这种方法对工艺要求非常高，对于大规模产业化具有很大的难度。但是，一步沉积薄膜可简化制稳定、抗辐射能力强等优点，可成为与硅电池竞争的新。型薄膜太阳电池，其具有很大的发展潜力与市场；收稿日期修订日期，作者简介硕士，杨伟锋（从事孙永健，教授。）薄膜太阳能电池研究。通讯作者。第卷第期杨伟锋，等衬底温度对共蒸法制备薄膜结构和形貌的影响备工艺，是低成本制备太阳电池应考虑的一个方向。在制备薄膜过程中衬底温度是影响薄膜研究表明质量的重要因素之一，孙云等人是、层、栅栏层。首先在玻璃衬底上用直流溅射在薄膜；下一步法沉积左右的，厚度控制在并在薄膜，下退火制备，左右；将配制的反薄膜用化学水浴法（），膜厚在应溶液置于的水浴中沉积（反应液组成为左右，）、用交流磁控分别溅射高纯；靶与掺；靶制备与薄膜栅的一步法制备薄膜中能使反应完全的临界温度。生成晶相的起始温度目前尚无文献进行报道。另外，太阳电池光电特性还受到缓冲层、等结构与工艺的影响。透明导电层本文主要研究了不同衬底温度对于四源共蒸一步确定了法制备的薄膜结构和形貌的影响，生长的最低温度要求；同时，在吸收层的制备工艺基础上初步实现了太阳电池的完整的制备流程。栏层用真空蒸镀法制备。利用美国公司产的型台阶仪、日本理学公司产的型射线衍射仪、（日本日立公司产的）型冷场发射扫描电和台湾镜（）公司产的型霍尔效应测试仪，分别测试样品的厚度、晶相、形貌、组份和电学性能，太阳电池的特性曲线在标准光谱下进行测试。辐射强度、实验方法制备薄膜的系统是真空镀膜机，。真空室中有四对独立的蒸发极限真空为、电极，并对应配备一个稳压电源。和蒸发源为自行设计的由于型钨舟，的蒸发温度较低，用量较大，蒸发源为自行制作的钼舟。样品架为卤钨灯管加热，利用温控电源控制基片温度。在，通过控制各不同的衬底温度条件下（）电极蒸发源电流，首先调节电流使得各蒸发源内的膜料熔化，稳定后调节各源电流至工作电流打开在洗净的载玻片上制得样品架挡板，蒸镀，薄膜，蒸镀结束后立即停止加热衬底。本文制备的电池具有太阳电池的典型结构，依次为玻璃衬底、背电极、吸收层、缓冲结果与讨论单原膜料蒸镀速率、薄膜中和四元素的配比决定。而各元素的含了薄膜的质量，尤其是的含量量与元素的蒸发速率直接相关，蒸发速率又受各蒸发源的工作电流的影响。因此，本文首先对四种膜料分别进行单源蒸发速率的测定，结果如图所示。薄膜厚度通过台阶仪测量得到，但是，由于薄膜是由微图单源膜料蒸镀速率与蒸发源工作电流的关系）；（）；（；（材料科学与工程学报年月小的台阶仪的探针扫过薄膜液滴附着在基片表面上，时会破坏薄膜表面，无法精确地测量到薄膜的厚度，因此，的蒸镀速率以每分钟蒸发的膜料重量来表示。由图可知，随着电流的增加膜料蒸镀速率也增加，而且各膜料的蒸镀速率与通过蒸发源的电流基本成正比。样品制备条件根据以上所述，本文分别在衬底强度为表为实际样品制备条件。在制备薄膜，实验过程中通过蒸发源的电流有一定波动，范围在左右，表中所有电流值都为蒸镀时各蒸发源电极电流起始值、中间值和终止值的平均值。表样品制备条件）（）（）（）（热情况发生改变，膜料的蒸发速率也会随之波动。分析图为在不同衬底温度下制得的薄膜图谱。膜料在蒸镀过程中从图中我们可以看出，当时，生成了多种二元相，从谱线中可以找到的相有、相、由于、相、相和相，和这四种元素之间能够形成的二元相非常多，所以除此之外可能还有其他在谱线中看不到的相，比如处于非晶态的以及生成量较少的与与化合物。当时，标准卡片基本吻合，说明开始有相生时的峰值很高，成，但结晶度很差，谱线中在这是由于此时主要生成了在相。另外，处还发现了明显出现了的特征峰。时，）、（、（，但是其）相特征峰（他相应特征峰并未出现，说明时，）相结晶度还是较差，同时有（直到相生成，温度升到时此相才不再生成。这是由于在温度较低时，衬底热能不足，使得、和反应不。另外，谱线中也没有发现明显的完全所致分析制得的样品经能谱分析后的结果如表所示。图为号样品分析图谱。表薄膜的元素配比与厚度）（与说明在此温度下不再有二元化合物特征峰，相生成，或者可能生成的量极少，无法通过检测测得的谱线与到。特征峰时，时类似，）、（、（都有所增强，与（特征峰（在也开始出现，说明结晶度变好。时，的基础上特征峰都增强了，与并且特征峰（）（）开始出现，不再晶相结晶度变得更好。时，）但文献中报道在有（时相生成，还是有此相生成，这可能是由于本文在制备时的速率较大，增大了原子到达衬底时的能量，促进了原子间的内扩散，从而加快了反应的进行，同时黄铜矿相的主要、（出现，特征峰（并且其他特征峰也非常明）图分析图谱号样品薄膜中的含量基本由表的数据表明，能控制在而左右，与的含量相对有一定的波动。大量实验表明在蒸发镀膜过程中，各膜料蒸发速率受到多个因素的影响，比如蒸发源膜料量、膜料蒸发后在真空室内的分压、蒸发源自身电阻、电流大小、蒸发源安装位置等。并且随着膜料的蒸发，膜料的受图不同温度下制得薄膜的图谱第卷第期杨伟锋，等衬底温度对共蒸法制备薄膜结构和形貌的影响显，峰宽较小，择优取向说明生成了结晶度较好（）的相。分析图是制得薄膜样品的表面以及相对应截面的）在表面上观察可见，在图。从图（时，到晶体尺寸相对均一且在左右的类立方颗粒，而与、和均是立方晶系，分析结果相一致，而该截面还呈现大小不均一的滴状小颗粒，说明该薄膜物相较杂，正如的结果一样，在此温度下生成的是多种二元化合物；如图（）表面有六边形颗粒存在，所示，在与文献时，体，生成的物相相对均一，但生成相（）的结晶度较差。如图（所示，在，时，薄膜表面的形貌几乎无差异，但是由断面可以观察到表面有说明停止加热后对左右的薄膜覆盖物，颗粒变颗粒的生长有较大的影响；当温度为时，薄膜颗粒当温度为大，尺寸在左右；时，尺寸继续变大，在无裂痕，有一定的缺左右，陷，但从断面观察，薄膜颗粒大，无缺陷，晶型良好，这一现象与表面形貌不一致，可能是由于样品架温度较高，灯管加热不稳定使得基片受热不均匀而使薄膜的生长不均匀所致。从图中各图的断面形貌观察到颗粒是随着温度的升高而逐渐增大。与电池性能分析、测试结果如表所示。、三个样品的中报道但通过仔细观察，这层颗粒的形状一致，只是覆盖在薄膜表面。由截面可以看出，该薄膜是逐层生长，层层叠加，且颗粒呈规则排列的小长方柱状图样品表面与截面其中插图为截面图）图（）；）；（；（；（；（；（温度越高霍尔系数、电阻率、迁移由表数据显示，率越大，而载流子浓度越小，这是由于在低温下，晶体缺陷较多，这种缺陷本身可能成为载流子，从而有高的载流子浓度，同时这些缺陷降低了迁移率，霍尔系数均为正数，表明制得的薄膜都是电子导电的型半导体。，中报道的数据还是存在一定的差距。但相比文献，本文制备的太阳电池有效面积为电池初步有测试结果如图所示。由图可知，电流产生，但性能很差，通过计算电池的填充因子为转化效率为，。目前的研究结果说明材料科学与工程学报表样品的电学性能年月参考文献（），（），等薄膜光伏材料铜铟镓硒的研究进房文健，刘永生，杨晶晶，（）展，材料科学与工程学报，（），李长健，乔在祥，张力薄膜太阳电池研究进展（）（），电源技术，（，），薄膜性质的刘琪，冒国兵，敖建平化学水浴沉积时间对（）影响功能材料，量对薄膜的结构及光学性质的影响李文科，唐振方（）材料科学与工程学报，薄膜的性敖建平，孙云，王晓玲，等共蒸发三步法制备（）质半导体学报，图太阳电池特性曲线在下沉积的薄膜初步达到了制备太阳电池的条件。将来的研究重点将放在吸收层和以进一步缓冲层异质结制备的工艺优化上，提高光电转换效率。结论本文采用了四源共蒸