[发明专利]一种通过硒元素掺杂提高铜镉锡硫薄膜晶粒尺寸的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及通过硒元素掺杂提高铜镉锡硫薄膜晶粒尺寸的制备方法，采用单一靶材磁控溅射铜镉锡硫预制膜，然后对预制膜进行硒元素掺杂的硫化热处理来提高铜镉锡硫薄膜晶粒尺寸，使薄膜晶粒尺寸达到2 mm，属于薄膜太阳电池材料领域。

背景技术

铜镉锡硫是一种直接带隙化合物半导体，光学带隙为1.0～1.2eV，其吸收边高能侧吸收系数高达10⁴cm^-1，与铜锌锡硫薄膜相同，被用于制备薄膜太阳电池的吸收层。相比铜锌锡硫薄膜，其带隙相对较小，所以铜镉锡硫可以作为不同带隙的叠层太阳电池中的理想吸收层。目前，采用单一靶材溅射后硫化的铜镉锡硫薄膜工艺简单，稳定性，均匀性比较好，其缺点是：采用这种方法制备的铜镉锡硫薄膜晶粒尺寸较小大约为500～600nm，较小的晶粒尺寸会导致晶界增加，这对太阳能电池器件具有不利影响。因此，采用通过对磁控溅射薄膜进行硒元素掺杂的硫化热处理能有效增加薄膜的晶粒尺寸，从而达到合成大晶粒的太阳能电池薄膜吸收层的目的。

发明内容

本发明的目的在于克服目前采用单纯硫化薄膜晶粒尺寸较小的问题。本发明采用硒元素掺杂的硫化热处理能有效地增加薄膜的晶粒尺寸。

本发明的目的是这样实施的：将单一铜镉锡硫靶材进行磁控溅射，衬底采用钠钙玻璃，衬底温度为500^oC，溅射功率为60W，通入氩气前真空度为7×10^-4Pa, 相同条件制备3个相同的铜镉锡硫预制膜(a),(b),(c)。再对溅射好的预制铜镉锡硫薄膜(a),(b),(c)分别加入30mg硫粉, 5mg硒粉+25mg硫粉，10mg硒粉+20mg硫粉后放进三个相同的封闭石墨盒中。将铜镉锡硫薄膜(a),(b),(c)分别进行条件相同的高温快速热处理。x射线衍射分析表明(图2)：热处理后的三个铜镉锡硫薄膜(a),(b),(c)均属于硫镉黄锡矿（Cernyite）结构，未发现杂相，且晶格常数随放入硒粉含量的增加而增大，说明：硒元素掺杂到铜镉锡硫结构中，替代硫位置，出现Se_S 替位式缺陷(硒离子半径大于硫离子半径)。x射线能谱证明 (图3)，随着放入石墨盒中硒粉质量的增加，硒在铜镉锡硫中的含量不断提高。微观表面形貌分析表明(图4)，随着硒含量的增加，铜镉锡硫薄膜的晶粒尺寸得到了大幅度的提高，硒含量最高的薄膜(c)的晶粒尺寸可达到2mm, 满足最佳太阳能薄膜电池中吸收层的晶粒尺寸。说明通过硒元素掺杂提高铜镉锡硫薄膜晶粒尺寸的制备方法能有效的解决单纯硫化后薄膜晶粒尺寸较小的问题。

本发明增大铜镉锡硫薄膜晶粒尺寸的方法的优点是：

（1）工艺简单，可重复性高。

（2）提高薄膜的结晶质量使铜镉锡硫薄膜晶粒尺寸达到理想状态。

附图说明

（1）图1是工艺流程图。

（2）图2是铜镉锡硫薄膜不同硫化条件的X光衍射图。

（3）图3是铜镉锡硫薄膜不同硫化条件的X射线能谱分析及化学配比。

（4）图4是铜镉锡硫薄膜不同硫化条件的微观形貌表面分析图。

具体实施方式

实施例

将硫化亚铜，硫化镉，二硫化锡按照摩尔比1:1:1进行混合，采用玛瑙研钵进行研磨，时间为4h，将混合好的粉末进行热压成型，温度为700^oC, 得到化学元素配比为2:1:1:4的铜锌锡硫单一靶材，采用射频磁控溅射在钠钙玻璃上溅射铜锌锡硫薄膜，工艺条件为：衬底温度：500^oC, 氩气流速：30ccm, 溅射功率：60W，溅射压强：0.1Pa，溅射前真空度：7×10^-4Pa。以相同溅射条件得到3个铜镉锡硫预制膜，分别用(a),(b),(c)表示。将薄膜(a),(b),(c) 分别加入30mg硫粉, 5mg硒粉+25mg硫粉，10mg硒粉+20mg硫粉后放进三个相同的封闭石墨盒中, 将石墨盒依次放入快速退火炉中，退火炉升温速率为5^oC/s。当退火炉温度升至550^oC时，保温15min，自然降温。图2为铜镉锡硫薄膜不同硫化条件的x射线衍射图，其衍射峰均为铜镉锡硫(Cernyite)相衍射峰，未发现与杂质相关的第二相，说明获得的铜镉锡硫为单一相结构。且硫化后铜镉锡硫薄膜结晶程度提高，比较薄膜(a), (b)和(c) 中的(112) 衍射峰，衍射峰逐渐向小角偏移，且半高宽逐渐变小，说明随着硒掺杂量的提高，替位式缺陷Se_S不断增加，晶粒尺寸不断增大。图3为铜镉锡硫薄膜不同硫化条件的x射线能谱分析及化学配比表明：硒掺杂量不断提高，尤其在薄膜(c)中，Se/(Se+S)=0.42。图4为铜镉锡硫薄膜不同硫化条件的微观形貌表面分析图，随着硒含量的增加，铜镉锡硫薄膜晶粒尺寸不断增加，薄膜(c)中晶粒尺寸最大，为2mm, 说明增加铜镉锡硫中硒的含量有助于增加薄膜的晶粒尺寸达到理想太阳能电池吸收层的要求。