CIGS薄膜的单靶溅射制备和热处理工艺研究

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Cu(In1-xGax)Se2(CIGS)为黄铜矿结构的直接带隙p-型半导体,光吸收系数高达105cm-1,适合制备薄膜太阳能电池。CIGS的禁带宽度可通过控制Ga的掺入量在1.04~1.67 eV可调,来实现光吸收与太阳光谱匹配。CIGS光电转换效率高,光照下无性能衰减,是目前最具潜力的太阳能薄膜电池之一。本文主要对CIGS四元光伏靶材、单靶溅射CIGS薄膜及其薄膜硒化处理进行研究,探索热压烧结CIGS靶材制备工艺与CIGS薄膜制备及膜的硒化处理之间的联系。分别研究了烧结温度对靶材致密度,衬底温度、固态Se源退火对沉积CIGS薄膜光电性能的影响,并探究之间的联系。(1)通过对CIGS靶材的烧结工艺的探索,制备了致密度92%以上的符合溅射需求的靶材,其中630℃制备的靶材致密对为98.85%。得出了在压力45 Mp,粒径75um,烧结时间3 h条件下的较优烧结温度范围为620℃~650℃。(2)对烧结的CIGS靶材在不同衬底温度下沉积CIGS薄膜,发现靶材致密度在92%以上,则相同衬底温度制备薄膜与靶材成分基本相同,与靶材烧结温度关系不大。随着靶材烧结温度的升高,CIGS薄膜能在更低温度形成(220)择优取向。薄膜的形貌与靶材烧结温度密切相关,可能是由于烧结温度使得制备的靶材内致密度和化学缺陷改变使得晶粒生长行为发生变化。(3)530℃固态Se气氛中退火后,CIGS薄膜的方块电阻变大,结晶性和形貌得到改善,退火后薄膜成分中的Se元素原子百分比增加,改善了未退火薄膜的缺陷和复合中心等。在退火过程中,Se原子先跟表面接触的薄膜反应然后再扩散到薄膜内部反应,而Ga原子则是由薄膜表面向薄膜内部衬底侧扩散;退火后的CIGS薄膜光电性能跟未退火相比有了明显改善,I-T曲线由镰刀形波变成近似方形波。
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