共蒸发三步法制备CIGS薄膜的性质

采用PID温度控制器控制共蒸发设备中蒸发源及衬底加热的温度,以三步法工艺制备CIGS(Cu(In,Ga)Se2)薄膜,通过恒功率加热衬底测试温度的变化,可实现在线组分监测,得到CIGS薄膜的组成重现性很好,CIGS薄膜的表面光洁,粗糙度多数小于10nm,但是组成相同的CIGS薄膜,其结晶择优取向可能不同,主要有(112)和(220)／(204)两种;其结晶形貌也有很大的不同,晶粒粗大且成柱

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第2 7卷

第 8期

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导

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学

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V O . N O. 1 27 8 A ug. 2 06,0

20 0 6年 8月

CHI NES OURNAL EM I EJ OF S CONDUCTORS

共蒸发三步法制备 C G I S薄膜的性质 *敖建平孙王晓玲，云李凤岩青何孙国忠周志强李长健(开大学光电子薄膜器件与技术天津市重点实验室，光电信息技术重点实验室 (开大学，天津大学 )南南，天津 307) 0 0 1

摘要：采用 P D温度控制器控制共蒸发设备中蒸发源及衬底加热的温度，三步法工艺制备 CI ( (n G ) I以 GS Cu I, a

S薄膜， e)通过恒功率加热衬底测试温度的变化，可实现在线组分监测，到 C GS薄膜的组成重现性很好 . GS得 I CI薄膜的表面光洁，糙度多数小于 l n但是组成相同的 CI粗 O m. GS薄膜，结晶择优取向可能不同，要有 ( 1 )其主 1 2和

(2 ) (0 ) 2 0/ 2 4两种；其结晶形貌也有很大的不同，晶粒粗大且成柱状的薄膜电池效率高，虽然从 C/ I u (n+Ga￣l的 )组成可以认为 CI GS薄膜为贫 C u结构， Hal试多数 C G但 l测 I S薄膜呈 P型，数呈 n型 .少 关键词：共蒸发；Cu I,Ga S2CI ) (n )e ( GS;三步法工艺；薄膜太阳电池PACC: 73 L; 73 0F￣ 736 L 40 6 0

中图分类号：T 1 . M9 4 4

文献标识码：A

文章编号：0 5 .17 2 0 )81 0.6 234 7 l0 6 0 .4 60

1前言 C (n Ga S 2简称 C GS化合物半导体材料 u I, )e( I )具有直接带隙结构，收系数高、定性好，制备吸稳是高效薄膜太阳电池最有前途的材料之一 .真空蒸用发沉积 ( VD) C GS基薄膜太阳电池的光电转换 P的 I效率已达到了 1 .%[,所有薄膜太阳电池中最 95 1是]高的.制备 CI GS薄膜的方法很多，目前使用较多的是共蒸发法和后硒化法 .蒸发法是在真空室内用共四个以上的独立蒸发源同时向衬底蒸发 C,n Ga uI, 和 s,应沉积 C GS薄膜 .发过程的控制是制备 e反 I

蒸 C GS薄膜的关键，般可通过控制蒸发源的温度 I一或蒸发速率来实现 .发速率的控制通常采用原子蒸吸收法或荧光光谱法，些方法精确可靠、现性这重好，但是设备造价高；发源温度的控制比较简单，蒸 设备成本低，是可靠性和重现性差 .9 4年，国但 19美 Nrl明了共蒸发三步法制备 CI e发 GS薄膜工艺，将共蒸发过程的反应机制与工艺过程结合，高了过提程工艺的可控性，效地拓宽了太阳电池适用的有 C GS成分范围[ . 9 5年， I 2 19]日本松下公司研究发现，在三步法共蒸发过程中，中第二步和第三步采其用恒功率加热衬底的方法可实现 CI GS成分的实时监控，大大提高了温度控制法制备 C GS薄膜的质 I量和重现性 . 20 0 1年，开大学采用共蒸发制备 CI南 GS薄膜，发法制备 C S薄膜，池效率最好达到蒸 d电 9 1%L .0 3年底， .3 4 2 0]采用共蒸发三步法制备 C GS I

薄膜，化学水浴法制备 C S薄膜，池效率最高达 d电到 1 . 0 5]但是，蒸发制备 CI 2 1%[ . 共 GS设备的可控性和重现性差 . 本文在前期研究的基础上，一步改进了蒸发进源及衬底加热装置的结构，用 P D温度控制仪控利 I

制各蒸发源和衬底加热器， C GS共蒸发过程的使 I温度可以精确控制 .共蒸发三步法制备的 CI 以 GS薄膜，中第二步和第三步采用恒功率加热衬底，其使设备的可控性及重现性大大提高 .时，同研究了工艺参数对 C GS薄膜的性质和电池输出特性的影响 . I

2实验 制备 CI GS薄膜的真空系统为 DM.5 A型真 40空镀膜机，底极限真空度为 2×1叫P .真空室本 0 a在内部安装自行设计加工的 C,n Ga和 S uI, e独立蒸发源、衬底支架和衬底加热器 .发源由陶瓷圆柱型蒸坩锅、缠绕在坩锅外的 Mo丝加热器以及坩锅底部的热电偶组成，用 P D自动温度控制仪控温 .,采 I Cu I n和 Ga源成品字形排列，均倾斜一个微小的角度， 将蒸发口对准衬底中心，底距离蒸发源 2 0 衬 8 mm.硒蒸发源

安装的位置高于 C,n和 Ga蒸发源， uI如图 1示 .蒸发过程中，源的蒸发温度较低、所在硒蒸发速率较大，易受其他蒸发源及衬底加热器的影容响，为此将真空室内各加热器的功率设计到最小，各蒸发源及衬底加热器的工作功率及运行过程中的最大功率如表 1所示 .

*国家高技术研究发展计划 (准号：0 4批 2 0 AA5 3 2 )南开大学基金 (准号：0 0 1 P 2 1 )助项目 101和批 P21,000资

十通信作者. Emala j@n n a.d .l i op a k ie u Cl:20 -I1到，0 60—9定稿 0 5I -2收 2 0 32￣20 0 6中国电子学会