磁控溅射与硫化热处理制备β-In2S3薄膜及光电性能

文章编号磁控溅射与硫化热处理制备INS薄膜及光电性能关荣锋,尤亚军,盐城工学院江苏省新型环保重点实验室,江苏盐城河南理工大学材料科学与工程学院,河南焦作摘要采用磁控溅射预制IN薄膜和硫化热处理工艺制备了性能优良的INS薄膜应用XRD、拉曼光谱仪及UVVIS测试仪对薄膜的品质进行了分析,并测试了薄膜的光学与电学性能结果表明,溅射功率和硫化热处理温度是影响薄膜品质的主要因素,比较合适的溅射功率为W,硫化热处理温度为,过高的热处理温度容易在薄膜中形成缺陷,在薄膜生长过程中容易产生INS杂相,相比之下,溅射气体压强对薄膜品质的影响较小,溅射气体压强可选择在PA光学与电学性能测试结果指出,得到的INS薄膜具有良好的光谱透过率,属N型半导体,可用于太阳能电池缓冲层关键词薄膜太阳电池INS磁控溅射硫化热处理中图分类号TM文献标识码ADOI/JISSN引言INS是典型的族硫化物,它具有种不同的缺陷结构分别为INS缺陷立方结构、INS缺陷尖晶石结构和INS层状结构在室温下可以稳定存在的是INS,未掺杂的INS一般呈N型半导体的性质INS具有优良的光学性能、声学性能、电学性能和光电化学特性,在许多领域具有重要的应用前景,特别期待的是在太阳能电池中的应用INS的禁带宽度为EV,对可见光波段的透过率较大,是一种清洁无污染的缓冲层材料INS在保证了太阳能电池光电转换效率的同时解决了CD带来的环境污染问题据报道,NNAGHAVI等采用原子层化学气相沉积法制备INS作为缓冲层的CIGS太阳能电池的光电转换效率达到非常接近使用CDS作为缓冲层的CIGS太阳能电池的转换效率JOHN等采用高温热解法研制的结构为GLASS/ITO/CIS/INS/AG的上基底型太阳能电池效率达到了目前,INS薄膜的制备方法有很多,其合成方法有溶剂热法、喷雾热解法、超声喷雾法、水热法、电沉积法、原子层外延法、凝胶法这些方法要么技术复杂,成本昂贵要么得到的薄膜的质量较差,成分不纯和附着力不好本文使用磁控溅射法在玻璃上溅射沉积IN薄膜,然后在气氛管式炉中硫化热处理制备出INS薄膜,研究了溅射沉积工艺参数,如溅射功率、工作压强及硫化热处理参数等对INS薄膜形貌、结构、光学及电学性能的影响实验INS薄膜的制备磁控溅射设备型号为JP,实验用衬底材料为玻璃基片,靶材是尺寸为MMMM的铟靶,纯度为溅射的气体为高纯氩气,靶材与基片台之间的距离为CM,选取溅射功率W,溅射压强是PA,溅射时间是MIN热处理采用的是气氛管式炉,热处理温度范围是,硫化气氛为N冷却时将管子两端保温材料去掉,管子裸露在空气中的部分较多,冷却速度较快H冷却至以下溅射所得到的IN膜是银灰色,有金属光泽,并随着溅射时间的增加,颜色加深硫化之后得到的INS薄膜为鲜亮的橙黄色样品的性能及表征薄膜的晶体结构的表征采用英国雷尼绍公司的激光共焦拉曼光谱系统及DADVANCEX射线衍射仪XRDNM,采用CU辐射,K射线,扫描范围为薄膜的吸收谱使用UV紫外可见光谱仪测试MOTTSCHOTTKY曲线使用PARSTAT型电化学工作站测量结果与讨论温度对INS薄膜结晶度的影响由于温度对INS薄膜的品质影响很大,实验首先研究热处理温度对薄膜结构的影响,在溅射功率W和工作压强PA保持不变的条件下,溅射出同一批IN膜并在不同温度,和关荣锋等磁控溅射与硫化热处理制备INS薄膜及光电性能基金项目国家自然科学基金资助项目国家科技支撑计划资助项目BACB盐城工学院人才工程资助项目KJC收到初稿日期收到修改稿日期通讯作者关荣锋,EMAILRONGFENGGCOM作者简介关荣锋,男,湖北潜江人,博士,教授,从事光电功能材料研究下进行热处理,其工艺参数如表所示表IN膜的溅射参数和硫化热处理参数TABLETHESPUTTERINGPARAMETERSOFINFILMSANDSULFURATIONHEATTREATMENTPARAMETERS溅射功率/W工作压强/PA靶电压/V靶电流/A沉积时间/MIN烧结温度/保温时间/H硫用量/G图为不同温度制备的硫化铟的XRD图谱INS相结构属于尖晶石缺陷的立方结构,当温度从升至时,INS相的特征衍射峰的强度逐渐升高,的衍射谱特征峰强度与INS的标准卡片PDF相当,较强峰的角分别为,和图标出了较强峰对应的晶面指数、和,其中主衍射峰,说明晶体生长是沿面择优生长的此外,个温度的图谱中都有的衍射峰,是INS相,随温度升高,此峰强度增加,的衍射谱中的INS相的衍射峰强度最高,高于INS相,这是因为温度较高时升华硫挥发过快,保温过程中晶体结构中硫元素的摄入量逐渐减少,从而INS相的晶体结构出现缺陷,形成INS相,但也不排除IN膜溅射时间较长,IN膜较厚,升华硫掺量少的原因相比之下,更适合制备具有INS相的INS薄膜图不同温度下INS薄膜的XRD图谱FIGXRDPATTERNSOFINSTHINFILMSWITHDIFFERENTSULFURATIONTEMPERATURE如图所示,不同温度的拉曼谱中较强峰都位于,和CM处,但只有温度为时,拉曼谱的峰强最高,且各个主峰的半高宽最小,这说明在不同温度下IN薄膜都结晶生长为INS薄膜,但是只有时INS薄膜杂质相少,缺陷小,结晶化程度最高拉曼峰强弱,表明了发生散射效应时振动能级的大小,与图对照,可以推测,拉曼峰越强,其INS薄膜的结晶度越高,杂质相越少因此,在下面的磁控溅射工艺优化中,实验选取的硫化温度为溅射气体压强对INS薄膜结构的影响在溅射功率W和硫化热处理温度保持不变的条件下,设计不同工作压强,和PA制备INS薄膜,其它工艺参数为薄膜沉积时间MIN,热处理保温时间H,硫用量G图不同温度下INS薄膜的拉曼谱FIGRAMANSPECTRAOFINSTHINFILMSWITHDIFFERENTSULFURATIONTEMPERATURE图为不同工作压强制备的硫化铟薄膜的XRD图,和PA代表曲线的衍射峰都与INS的标准卡片PDF吻合,衍射峰的为,和分别对应INS立方结构的晶面指数、和,且沿面择优生长从图看出,溅射功率W时,工作压强为PA溅射的IN膜在烧结H得到INS薄膜的衍射峰强度最高,其结晶生长最充分,且没有杂质相图不同工作压强的INS薄膜的XRD图谱FIGXRDPATTERNSOFINSTHINFILMSWITHDIFFERENTSPUTTERINGGASPRESSURE如图所示,不同工作压强溅射的IN膜在相同热处理条件下,主要拉曼峰的位置相同,且半高宽相似,峰中心对应的波数分别是,和CM,PA曲线与PA的拉曼峰相对强度变化不大,都比PA的略高,这说明工作压强的变化并没有使INS薄膜的峰位产生位移差,薄膜中的物相一致对照图的XRD图谱可知,工作压强的变化对薄膜的结晶度影响不大,并没有引入过多杂质相与图相比,年第期卷在波数是CM处没有出现散射峰,这说明此处峰应该是INS相的存在引起的缺陷结构图不同溅射气体压强INS薄膜的的拉曼谱FIGRAMANSPECTRAOFINSTHINFILMSWITHDIFFERENTSPUTTERINGGASPRESSURE溅射功率对INS薄膜结晶度的影响为了探讨溅射功率对薄膜结构的影响,在工作压强PA和热处理温度保持不变的条件下,设计不同溅射功率,和W的实验方案,制备INS薄膜,其它实验参数为薄膜沉积时间MIN,热处理保温时间H,硫用量G图为不同溅射功率的硫化铟薄膜的XRD图谱图曲线的衍射峰都与INS的标准卡片PDF吻合,衍射峰的角,和分别对应INS立方结构的晶面指数、,且面的衍射强度最高对比之下,和W的面衍射峰强度较高,W的面衍射峰强度与INS标准卡片完全吻合,W的面衍射峰强度与INS标准卡片完全吻合图不同溅射功率的INS薄膜的XRD图谱FIGXRDPATTERNSOFINSTHINFILMSWITHDIFFERENTSPUTTERINGPOWER如图所示,不同功率溅射的IN膜经热处理以后的拉曼谱中,与和W溅射功率的拉曼峰相比,和W的拉曼峰的中心波数发生蓝移,由CM移动到,CM处的也蓝移至CM,峰位的蓝移说明薄膜结构中的键能增强,这与图XRD谱中显示的在和W制备的薄膜的衍射峰强度相对较高相对应这表明和W溅射功率用于制备INS薄膜是比较合适的INS薄膜的电学性能使用MOTTSCHOTTKY曲线来判定INS薄膜的电学性质MOTTSCHOTTKY测试结果是/CE曲线,将纵坐标平方,便得到了/CE曲线,即莫特肖特基曲线,根据曲线直线部分的斜率就能判断半导体的类型MOTTSCHOTTKY曲线直线部分的斜率小于零,说明表面氧化膜具有P型半导体特性,否则为N型在溅射功率W和工作压强PA保持不变的条件下,溅射MIN,将得到的同一批IN膜在不同温度,下进行热处理,然后测量MOTTSCHOTTKY曲线,如图所示,不同温度下的莫特肖特基曲线直线部分的斜率均为正值,所制得的薄膜呈现N型半导体的性质,其平带电位在EV左右图不同溅射功率的INS薄膜的拉曼谱FIGRAMANSPECTRAOFINSTHINFILMSWITHDIFFERENTSPUTTERINGPOWER图不同温度的INS薄膜的MOTTSCHOTTKY曲线FIGTHEMOTTSCHOTTKYCURVEOFINSTHINFILMSWITHDIFFERENTSULFURATIONTEMPERATUREINS薄膜的光学性能图为在W溅射功率,热处理温度下制备的INS薄膜的紫外可见吸收曲线,其中图A的工作压强是PA、烧结温度是,图B的工作压强为PA,烧结温度为,保温时间分别为,和MIN的从图可以看到,INS关荣锋等磁控溅射与硫化热处理制备INS薄膜及光电性能薄膜主要吸收NM的紫外光,对于NM之间的可见光吸收率较小,相应的对可见光的透过率就相对较高这表明用这种工艺制备的INS薄膜用于CIGS太阳能电池的缓冲层是可行的此外INS薄膜在可见光区的光谱透过特性与工艺参数有关,也就是其带隙宽度可以在一定范围内通过调整工艺参数进行调控图不同保温时间的INS薄膜的紫外可见吸收谱FIGTHEUVVISPATTERNSOFINSFILMSWITHDIFFERENTSULFURATIONHOLDINGTIME结论采用磁控溅射预制IN薄膜和N气氛硫化热处理制备出了结晶性能优良的INS薄膜实验结果表明,溅射功率对INS薄膜的结晶性能影响较大,合适的溅射功率为W相比之下,溅射气体压强对薄膜品质的影响较小而硫化温度对薄膜的品质影响最大,过高的热处理温度容易在薄膜中形成缺陷,不同热处理温度相比,IN膜在烧结H得到INS薄膜的衍射峰强度最高,结晶生长充分,薄膜品质较好,制备的薄膜为N型半导体参考文献WANGYIPING,HOCHINGWA,HUANGYINGSHENGTHESTUDYOFSURFACEPHOTOCONDUCTIVERESPONSEININDIUMSULFIDECRYSTALSJJOURNALOFPHYSICSDAPPLIEDPHYSICS,SAADALLAHF,JEBBARIN,KAMMOUNN,ETALOPTICALANDTHERMALPROPERTIESOFINSJINTERNATIONALJOUNALOFPHOTOENERGY,SHAZLYYA,ELHADYYZD,METWALLYYH,ETALELECTRICALPROPERTIESOFTHINFILMSJJOURNALOFPHYSICSCONDENSEDMATTER,NAGHAVIN,SPIERINGS,POWALLAM,ETALHIGHEFFICIENCYCOPPERINDIUMGALLIUMDISELENIDECIGSSOLARCELLSWITHINDIUMSULFIDEBUFFERLAYERSDEPOSITEDBYATOMICLAYERCHEMICALVAPORDEPOSITIONALCVDJPROGRESSINPHOTOVOLTAICSRESEARCHANDAPPLICATIONS,JOHNTT,MATHEWM,KARTHACS,ETALCUINS/INSTHINFILMSOLARCELLUSINGSPRAYPYROLYSISTECHNIQUEHAVINGEFFICIENCYJSOLARENERGYMATERIALSACRYLANIDELIQUIDABSORBENCYRATEMICROWAVEIRRADIATION上接第页THEPHOTOELECTRICPROPERTIESOFINSTHINFILMSPREPAREDBYMAGNETRONSPUTTERINGANDSULFURATIONHEATTREATMENTGUANRONGFENG,YOUYAJUN,LABORATORYFORADVANCEDTECHNOLOGYINENVIRONMENTALPROTECTIONOFJIANGSUPROVINCE,YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY,YANCHENG,CHINASCHOOLOFMATERIALSSCIENCEANDENGINEERING,HENANPOLYTECHNICUNIVERSITY,JIAOZUO,CHINAABSTRACTTHEINSTHINFILMSWITHEXCELLENTPROPERTIESWEREPREPAREDBYMAGNETRONSPUTTERINGINFILMSANDSULFURIZINGHEATTREATMENTPROCESSQUALITIESOFTHINFILMSWEREANALYZEDBYUSEDXRD,RAMANSPECTROSCOPYANDUVVISSPECTROSCOPYTHERESULTSDEMONSTRATETHATSPUTTERINGPOWERHAVEGREATINFLUENCEONTHECRYSTALLIZATIONPROPE