專利名稱：光伏吸收層濺射鍍膜的銅鎵合金旋轉(zhuǎn)靶材及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及國際分類C23C對金屬材料的鍍膜、用金屬材料對材料的鍍膜、表面擴(kuò)散法，化學(xué)轉(zhuǎn)化或置換法的金屬材料表面處理、真空蒸發(fā)法、濺射法、離子注入法或化學(xué)氣相沉積法的一般鍍膜等相關(guān)技術(shù)，特別是一種用于光伏吸收層濺射鍍膜的銅鎵合金旋轉(zhuǎn)靶材及制備方法。
背景技術(shù)：
目前，光伏(PV or photovoltaic)是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)(photovoltaic power system)的簡稱，是一種利用太陽電池半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)，將太陽光輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的一種新型發(fā)電系統(tǒng)，有獨(dú)立運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行兩種方式。光伏板組件是一種暴露在陽光下便會產(chǎn)生直流電的發(fā)電裝置，由幾乎全部以半導(dǎo)體物料，例如硅制成的薄身固體光伏電池組成。由于沒有活動的部分，故可以長時間操作而不會導(dǎo)致任何損耗。簡單的光伏電池可為手表及計(jì)算機(jī)提供能源，較復(fù)雜的光伏系統(tǒng)可為房屋提供照明，并為電網(wǎng)供電。光伏板組件可以制成不同形狀，而組件又可連接，以產(chǎn)生更多電力。近年，天臺及建筑物表面均會使用光伏板組件，甚至被用作窗戶、天窗或遮蔽裝置的一部分，這些光伏設(shè)施通常被稱為附設(shè)于建筑物的光伏系統(tǒng)。例如，銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽能光伏電池板即為一種重要的現(xiàn)有技術(shù)。其基本結(jié)構(gòu)見附圖1，即有增透層、透明電極、窗口層、緩沖層、吸收層、背電極層和基板構(gòu)成，值得注意的是，其中對太陽能光電轉(zhuǎn)換效率影響最大的結(jié)構(gòu)在于吸收層薄膜的制備質(zhì)量，而決定吸收層的制備的關(guān)鍵技術(shù)在于吸收層薄膜的成分和形成質(zhì)量，其組分通常為銅銦鎵硒 (CIGS) 4 元素。在現(xiàn)有技術(shù)中對上述吸收層薄膜制備方法較多，如采用電子束蒸發(fā)單個銅、銦、 鎵、硒元素的方法形成銅銦鎵硒吸收層薄膜，或采用電子束先蒸發(fā)單個銅、銦、鎵元素，再通入氣體硒化形成銅銦鎵硒吸收層薄膜，這兩種方法均不利于獲得大面積高均勻度薄膜涂層，不適于應(yīng)用于連續(xù)大規(guī)模生產(chǎn)，研究表明采用磁控濺射鍍膜方法可以較好的改善這種狀況。濺射鍍膜就是在真空中利用荷能粒子轟擊靶表面，使被轟擊出的粒子沉積在基片上的技術(shù)。通常，利用低壓惰性氣體輝光放電來產(chǎn)生入射離子。陰極靶由鍍膜材料制成，基片作為陽極，真空室中通入0. I-IOPa的氬氣或其它惰性氣體，在陰極(靶)1_3KV直流負(fù)高壓或13. 56MHz的射頻電壓作用下產(chǎn)生輝光放電。電離出的氬離子轟擊靶表面，使得靶原子濺出并沉積在基片上，形成薄膜。目前濺射方法很多，主要有二級濺射、三級或四級濺射、 磁控濺射、對靶濺射、射頻濺射、偏壓濺射、非對稱交流射頻濺射、離子束濺射以及反應(yīng)濺射寸。靶材是真空鍍膜的重要原材料，靶材的純度、密度直接影響膜系的成分和綜合性能。目前，用于磁控濺射制取上述銅銦鎵硒吸收層的靶材主要有銅鎵、銅銦以及銅銦鎵合金靶材。這些靶材以平面靶材為主，平面靶材的使用效率僅有30%，剩余70%無法使用，這還直接導(dǎo)致平面靶材在使用過程中需要頻繁接續(xù)更換，不但浪費(fèi)大，嚴(yán)重影響生產(chǎn)連續(xù)性，造成生產(chǎn)周期長成本居高。新型的適于大面面積連續(xù)生產(chǎn)的靶材及制造方法公開較少。比如，鍍膜玻璃用高密度SuSruNi及其合金大尺寸旋轉(zhuǎn)靶材的熔鑄制備技術(shù)。從制備技術(shù)、靶材組織和濺射性能方面對兩種旋轉(zhuǎn)靶材做比較，噴涂制備金屬靶是利用電弧將靶材材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，借助高速氣體將其霧化，形成小的熔滴，并加速噴射到襯管或襯板表面，快速冷卻凝固成金屬涂層靶材的過程。非金屬和陶瓷靶通常是利用等離子加熱粉末材料的方法噴涂制成。而另外，靶材熔鑄技術(shù)可分為三種不同的澆鑄形式無襯管或襯板的整體式甩帶澆鑄，例如NiCr、NiV靶、有襯管或襯板的直接澆鑄，例如ZruSi/ ZnA12/ZnSn (Sb) Sn及其合金靶、分段甩帶澆鑄再粘結(jié)成靶材如Ag靶等。另外，已公開的新的相關(guān)技術(shù)方案較少，如專利申請?zhí)?00310105218 —種可提高靶材利用率的磁控濺射靶。由水冷靶材和可移動的磁體組成平面靶或圓柱靶結(jié)構(gòu)；平面靶結(jié)構(gòu)中磁體通過滾動軸承與水冷背板安裝在一起，電機(jī)通過傳動盤驅(qū)動金屬板和固定其上的磁體一起運(yùn)動；圓柱靶結(jié)構(gòu)中磁體套在不銹鋼管上安裝在圓柱靶內(nèi)，置于冷卻水中，并通過連接機(jī)構(gòu)與電機(jī)相連。本發(fā)明采用了移動磁體技術(shù)，通過對普通磁控濺射平面靶和圓柱靶磁體的改進(jìn)，使其磁體在濺射鍍膜過程中能夠移動，從而使靶材表面的刻蝕區(qū)域更寬，刻蝕更均勻，靶材的利用率有明顯的提高，同時保留了磁控濺射工藝的優(yōu)點(diǎn)，而沒有影響其工藝性能；
專利申請?zhí)?00710022233旋轉(zhuǎn)圓柱磁控濺射靶，包括極靴、永磁體、中空圓柱靶材和芯軸，永磁體沿圓柱靶材的軸向嵌于極靴內(nèi)，永磁體為長永久磁條和短永久磁條，極靴上設(shè)有用于安裝長永久磁條和短永久磁條的定位槽，長永久磁條和短永久磁條分別安裝在對應(yīng)的定位槽內(nèi)；長永久磁條和短永久磁條沿極靴圓周方向交替分布，從而組成多路條形磁體， 長短永久磁條的極性相反，極化方向垂直于濺射陰極中心軸線，極靴兩端的磁環(huán)與長短永久磁條構(gòu)成閉合跑道形磁力線。又如專利申請?zhí)?00820008493可均勻鍍膜的靶材裝置，包括一安裝于一濺鍍設(shè)備中的遮蔽盒，及一安裝于遮蔽盒中的靶材。該遮蔽盒具有一遮蔽板，該遮蔽板上具有一上下延伸的長槽孔，且該長槽孔的上下兩端寬度大于中央部位的寬度。該靶材安裝于該遮蔽盒中，靶材顯露遮蔽盒外的面積也是呈兩端寬度大于中央部位寬度的形狀。又如專利申請?zhí)?0081022M82公開了屬于光電功能材料領(lǐng)域的一種銅銦鎵硒或銅銦鋁硒太陽能電池吸收層靶材及其制備方法。是按照C uln丨[1 一 x]Ga丨[χ] Se|[2]或Culn|[l—X]A1 I [χ] S e I [2]太陽能電池吸收層的化學(xué)計(jì)量比將高純度硒化亞銅粉末、硒化銦粉末、硒化鎵粉末或硒化鋁粉末充分混合均勻后，在保護(hù)氣氛中熱壓燒結(jié)成型，或者經(jīng)過冷壓成型或冷等靜壓成型制成素坯，然后將素坯在保護(hù)氣氛中施加一定的壓力燒結(jié)或者不加壓燒結(jié)。本發(fā)明工藝簡便、效率高、成本低，所制成的濺射靶材成分均勻，具有均一的C uln丨[l—x]Ga丨[x]Se丨[2]或CuIn I [ 1 -χ] A 1丨[x]Se丨[2]相，相對密度達(dá)到9 O %以上，性能穩(wěn)定。又如專利申請?zhí)?00810073549太陽能電池銅銦鎵硒薄膜關(guān)鍵靶材及其制備方法。所述靶材是以銅銦鎵硒元素粉為原料，采用固相合成制備C I G S粉，進(jìn)而采用等靜壓成型，最后高溫?zé)Y(jié)制備C I G S靶材。以所述靶材為原料，經(jīng)一步濺射可獲得C I G S薄膜。
又如專利申請?zhí)?00510011859用于銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的銅鎵合金靶及其制備方法，涉及光電產(chǎn)業(yè)及半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)所需的金屬濺射靶材及其制備。其是將銅、鎵單質(zhì)金屬混合，在氣體保護(hù)下或真空中，熔煉后澆注，同時急冷成型；所形成的合金濺射靶材，鎵的原子百分比含量為2 5 % 6 7 %，具有微細(xì)化及高均質(zhì)化的特性。又如專利申請?zhí)?00810116717 —種制備銅銦硒濺射靶材的工藝。通過制備或市場購買C u丨[2 ] S e粉末和I η丨[2 ] S e丨[3 ]粉末，混合后在行星式球磨機(jī)中球磨，而后冷壓成型，制得C u丨[2 ] S e和I η丨[2 ] S e丨[3 ]混合材料素坯，將此素坯置于密閉的真空燒結(jié)爐中，在H丨[2]保護(hù)氣氛中，燒結(jié)，冷卻后脫模，即得到銅銦硒靶材。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種大面積連續(xù)生產(chǎn)的銅鎵合金材料的光伏吸收層濺射鍍膜用的旋轉(zhuǎn)靶材。本發(fā)明的發(fā)明目的是通過如下技術(shù)措施實(shí)現(xiàn)的采用5N以上高純度銅、鎵、銦原料，采用中頻感應(yīng)熔煉的方式熔化上述單一金屬或合金，其中先熔化高熔點(diǎn)的金屬再熔化低熔點(diǎn)的金屬，模具預(yù)熱，真空環(huán)境下進(jìn)行澆鑄，澆鑄中保持加溫。本發(fā)明的有益效果是采用真空熔煉技術(shù)在真空環(huán)境中，通過對合金材料組分、純度、晶相以及對精密熔煉工藝的控制，制備出具有雜質(zhì)含量低、組分均勻性好、氣體含量低、 無偏析和內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)異的銅銦合金旋轉(zhuǎn)靶材。該旋轉(zhuǎn)靶材的使用效率可以達(dá)到75-85%，在生產(chǎn)時冷卻效果更好，生產(chǎn)連續(xù)性明顯提高，同時沉積速率和單位時間內(nèi)的產(chǎn)量顯著增加。


圖1是本發(fā)明中描述的銅銦鎵硒太陽能光伏板薄膜結(jié)構(gòu)
采用5N以上高純度銅、鎵、銦原料，采用中頻感應(yīng)熔煉的方式熔化上述單一金屬或合金，其中先熔化高熔點(diǎn)的金屬再熔化低熔點(diǎn)的金屬，模具預(yù)熱，真空環(huán)境下進(jìn)行澆鑄，澆鑄中保持加溫。采用中頻感應(yīng)熔煉確保材料組織均勻性，以熔點(diǎn)高低先后熔化不同金屬，確保各金屬之間，能完全融合，防止偏析，真空澆鑄避免產(chǎn)生氣孔和發(fā)生氧化，模具預(yù)熱避免熔化的合金液體注入到低溫模具中時發(fā)生凝固使殘留氣體不能逸出而產(chǎn)生氣孔，澆鑄中保持加溫，確保澆鑄的液體不會立即凝固，供氣體充分溢出確保材料致密，另外，在澆鑄時還要保持爐體內(nèi)料液的熔化狀態(tài)，避免凝固。下面結(jié)合具體實(shí)施方式
，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。一種以重量比75 :25wt%銅鎵合金旋轉(zhuǎn)靶材。稱取7. 5公斤重量的6N高純銅錠，2. 5公斤重量的5N高純度鎵，銅鎵的重量比為 75 :25wt% ；啟動真空感應(yīng)熔煉爐，預(yù)熱20分鐘，先投入銅錠，禁止直接接觸材料，避免污染影響材料純度，升溫至銅錠熔化后投入金屬鎵，同時將石墨模具預(yù)熱數(shù)分鐘，保持石墨模具溫度在300°C，保持真空感應(yīng)熔煉爐溫度1100°C 30分鐘后，開始澆鑄，即將銅鎵合金液放入
5預(yù)熱石墨模具，冷卻成型后脫模制得銅鎵旋轉(zhuǎn)靶材。6N高純銅錠即純度99. 9999%的高純銅錠。在上述過程中，模具溫度一直保持300°C，澆鑄完成后關(guān)閉石墨模具加熱器，使石墨模具自然降溫，在銅鎵合金已經(jīng)完全凝固，溫度降至150°C后，將銅鎵合金管狀旋轉(zhuǎn)靶材從石墨模具中取出，對外形進(jìn)行機(jī)械加工后形成成品。澆鑄時保持模具溫度使得合金液料不會立即冷卻，阻止產(chǎn)生氣孔，靶材致密度大于 99%ο這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明，而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外，本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀了本發(fā)明的內(nèi)容之后，以等同替代或變劣進(jìn)行對本發(fā)明作各種改動或修改，同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定的范圍。
權(quán)利要求
1.光伏吸收層濺射鍍膜的銅鎵合金旋轉(zhuǎn)靶材及制備方法，其特征是采用5N以上高純度銅、鎵、銦原料，采用中頻感應(yīng)熔煉的方式熔化上述單一金屬或合金，其中先熔化高熔點(diǎn)的金屬再熔化低熔點(diǎn)的金屬，模具預(yù)熱，真空環(huán)境下進(jìn)行澆鑄，澆鑄中保持加溫。
2.如權(quán)利要求1所述的光伏吸收層濺射鍍膜的銅鎵合金旋轉(zhuǎn)靶材及制備方法，其特征在于，采用中頻感應(yīng)熔煉確保材料組織均勻性，以熔點(diǎn)高低先后熔化不同金屬，確保各金屬之間，能完全融合，防止偏析，真空澆鑄避免產(chǎn)生氣孔和發(fā)生氧化，模具預(yù)熱避免熔化的合金液體注入到低溫模具中時發(fā)生凝固使殘留氣體不能逸出而產(chǎn)生氣孔，澆鑄中保持加溫， 確保澆鑄的液體不會立即凝固，供氣體充分溢出確保材料致密，另外，在澆鑄時還要保持爐體內(nèi)料液的熔化狀態(tài)，避免凝固。
3.如權(quán)利要求1所述的光伏吸收層濺射鍍膜的銅鎵合金旋轉(zhuǎn)靶材及制備方法，其特征在于，稱取7. 5公斤重量的6N高純銅錠，2. 5公斤重量的5N高純度鎵，銅鎵的重量比為75 25wt% ；啟動真空感應(yīng)熔煉爐，預(yù)熱20分鐘，先投入銅錠，禁止直接接觸材料，避免污染影響材料純度，升溫至銅錠熔化后投入金屬鎵，同時將石墨模具預(yù)熱數(shù)分鐘，保持石墨模具溫度在300°C，保持真空感應(yīng)熔煉爐溫度1IOCTC 30分鐘后，開始澆鑄，即將銅鎵合金液放入預(yù)熱石墨模具，冷卻成型后脫模制得銅鎵旋轉(zhuǎn)靶材。
4.如權(quán)利要求3所述的光伏吸收層濺射鍍膜的銅鎵合金旋轉(zhuǎn)靶材及制備方法，其特征在于，模具溫度一直保持300°C，澆鑄完成后關(guān)閉石墨模具加熱器，自然降溫，在銅鎵合金已經(jīng)完全凝固，溫度降至150°C后，將銅鎵合金管狀旋轉(zhuǎn)靶材從石墨模具中取出，對外形進(jìn)行機(jī)械加工后形成成品。
全文摘要
光伏吸收層濺射鍍膜的銅鎵合金旋轉(zhuǎn)靶材及制備方法，采用5N以上高純度銅、鎵、銦原料，采用中頻感應(yīng)熔煉的方式熔化上述單一金屬或合金，其中先熔化高熔點(diǎn)的金屬再熔化低熔點(diǎn)的金屬，模具預(yù)熱，真空環(huán)境下進(jìn)行澆鑄，澆鑄中保持加溫。采用真空熔煉技術(shù)在真空環(huán)境中，通過對合金材料組分、純度、晶相以及對精密熔煉工藝的控制，制備出具有雜質(zhì)含量低、組分均勻性好、氣體含量低、無偏析和內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)異的銅銦合金旋轉(zhuǎn)靶材。該旋轉(zhuǎn)靶材的使用效率可以達(dá)到75-85%，在生產(chǎn)時冷卻效果更好，生產(chǎn)連續(xù)性明顯提高，同時沉積速率和單位時間內(nèi)的產(chǎn)量顯著增加。
文檔編號B22D18/06GK102286724SQ201110256279
公開日2011年12月21日 申請日期2011年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月1日
發(fā)明者莊志杰 申請人:基邁克材料科技(蘇州)有限公司