[发明专利]铜锌锡硫陶瓷靶材及其真空热压制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于太阳能光电领域材料的制备方法，具体为一种铜锌锡硫陶瓷靶材及其真空热压制备方法，属于陶瓷靶材制备技术领域。

背景技术

新型、价格低廉、环保、高效的光伏转换材料一直是太阳能领域追求的目标，也是促进未来太阳能电池能否广泛推广的关键因素。近年来，四元化合物铜锌锡硫(Cu₂ZnSnS₄)逐渐成为太阳能吸收层材料的研究热点，原因在于它与目前光电转换效率最高、研究与应用最为广泛的光吸收层材料铜铟镓硒(Cu(In，Ga)Se₂)具有相似的晶体结构，但是不含稀贵元素和有毒元素，被普遍认为是可替代昂贵铜铟镓硒的最佳材料。铜锌锡硫材料的带隙宽度约为1.5eV，与太阳能电池吸收层材料所需的最佳带隙宽度(1.45eV)非常接近。铜锌锡硫是一种直接带隙的半导体材料，具有超过10⁴cm^-1的光吸收系数，这使得只需要1-2μm的薄膜厚度就可以吸收大部分入射太阳光。如Teodor K.T等制备了以铜锌锡硫为吸收层材料的太阳能电池，转换效率超过9.6％的薄膜太阳能电池，其转换效率已接近实用的要求。

铜锌锡硫薄膜的制备是其应用于薄膜太阳能电池吸收层的关键，目前主要的制备方法包括直接蒸发法和预置层后热处理法两类方法。其中直接蒸发法又包括分步蒸发法与共蒸发法，蒸发法所制备的薄膜结晶一般比较好，但存在大面积成膜均匀性差的问题。发展铜锌锡硫薄膜一步大面积成膜的制备技术具有重大意义。磁控溅射能够以相对低廉的价格实现大面积薄膜的一步沉积，并且能够较好的保证薄膜化学计量组成的有效调控以及大面积薄膜成分的均匀性，目前也是发展铜铟镓硒大面积薄膜制备的重要方向之一。

靶材是磁控溅射制备薄膜的重要原材料，靶材的性能直接关系到薄膜的性能。参照铜铟镓硒薄膜制备的发展历程来看，从最初的多靶共蒸发法、到金属预置层后硒化法到目前极力发展的单一化合物靶材一步溅射法，单一化合物靶材一步溅射法具有工艺流程短，薄膜成分均匀等优点，非常适合于化合物薄膜的制备。但是，单一化合物靶材的制备往往比较困难，目前我国正在大力发展铜铟镓硒化合物靶材的制备方法。铜锌锡硫薄膜的制备方向沿袭了铜铟镓硒薄膜的制备方法，单一化合物靶材的制备同样具有重要意义，目前国内外文献专利，关于铜锌锡硫单一化合物靶材及其相关的制备方法报道很少，为满足未来铜锌锡硫薄膜太阳能电池发展对单一化合物靶材的需求，本发明提出一种铜锌锡硫单一化合物靶材及其制备方法。

发明内容

本发明目的之一在于提供一种高纯、高单相含量、高致密度铜锌锡硫化合物靶材。依据本发明制备的铜锌锡硫靶材，在纯度、单相含量、致密度方面均可以满足铜锌锡硫薄膜的磁控溅射对靶材性能要求。同时由于采用二元化合物粉末直接热压制备的工艺特点，可以避免成分损失，成分更容易控制，制备的铜锌锡硫化合物靶材具有单一的相结构。

为实现本发明的上述目的，采用的技术方案是：

一种铜锌锡硫陶瓷靶材(铜锌锡硫化合物靶材)，由四元化合物Cu₂ZnSnS₄组成，所述的陶瓷靶材中Cu₂ZnSnS₄单相(铜锌锡硫化合物相)含量高于90％(wt.％)。

优选地，所述的陶瓷靶材中主元素铜、锌、锡和硫的总含量大于99.9％(wt.％)。

优选地，所述的陶瓷靶材的密度达到4.4g/cm³以上，靶材的相对密度大于96％。

本发明的另一目的是提供一种高纯、高单相含量、高致密度的铜锌锡硫靶材的制备方法。本发明采用真空热压方法，具有适中的成本，靶材致密度较高。此外，采用化合物粉末热压烧结的工艺流程比采用单质元素粉末合成方法更短，具有明显的优点，更利于产业化、批量化生产。

为了实现本发明的上述目的，采用的技术方案是：

一种铜锌锡硫陶瓷靶材的真空热压制备方法，包括以下步骤：

(1)将原料按照化学计量比配料，即将硫化铜粉、硫化锌粉、硫化锡粉按照摩尔比2∶1∶1配料后，进行机械混合，得到混合均匀的原料粉末；

(2)将步骤(1)所得到的原料粉末装入石墨模具中，进行预压制坯，预压后将石墨模具移入热压烧结炉中；

(3)将热压烧结炉先用机械泵抽真空，再用罗茨泵抽真空至10^-1～10^-2Pa，然后升温，升温过程中不断轴向加压，当温度升高到800～1400℃，加压到10～30Mpa时，开始保温、保压，进行烧结；