專利名稱：一種濺射法制備高度取向的CuInS₂外延薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種CuInS2外延薄膜的制備方法，具體涉及一種濺射法制備高度取向的CuInS2外延薄膜的方法。
背景技術(shù)：
在上個世紀(jì)70年代，貝爾實驗室發(fā)現(xiàn)I-III-VI2化合物半導(dǎo)體CuInSe2具有光電轉(zhuǎn)換效應(yīng)。但是在隨后發(fā)現(xiàn)CuInS2禁帶寬度(Eg=l. 5eV)比CuInSe2 (Eg=l. 02eV)寬，這使電池具有較高的開路電壓從而提高電池光電轉(zhuǎn)換效率，此外CuInS2也具有高吸收系數(shù)(104 105cm-3)、原料豐富、低成本、低毒性、無光致衰減等優(yōu)點。作為新一代半導(dǎo)體薄膜太陽能電池吸收材料，得到廣泛關(guān)注。理論上CuInS2薄膜電池的光電轉(zhuǎn)換效率為28. 5%，然而目前所報道的實際CuInS2薄膜電池的最高效率只有13%左右，究其原因是人們對CuInS2材料的電學(xué)性質(zhì)、以及其作為電池吸收層材料的作用機(jī)理了解不深，目前對于該種材料研究重點在于電池轉(zhuǎn)換效率的提高，而對其機(jī)理研究還不足。因此，近年來CuInS2外延薄膜被廣泛用于研究CuInS2的電學(xué)性質(zhì)，例如摻雜類型、摻雜濃度、電子親和勢，電子空穴遷移率等等。同時也被用于研究CuInS2與窗口層ZnO、緩沖層的晶格匹配以及能帶結(jié)構(gòu)的研究。而制備高度取向的CuInS2外延薄膜是以上研究
的第一步。目前，J.Eberhardt, Th. Hahn, R. Hunger, H. Metzner 等利用分子束外延(MBE)方法制備得到CuInS2外延薄膜，目前CuInS2外延薄膜主要生長方法是分子束外延(MBE)以及金屬有機(jī)物氣相外延(MOVPE)等方法，這些方法工藝復(fù)雜，對設(shè)備要求高，生長速率低，難于控制兩種以上V族元素，易出現(xiàn)表面形態(tài)的卵形缺陷、長須狀缺陷及多晶生長。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供濺射法制備高度取向的CuInS2外延薄膜的方法，該方法工藝簡單，對設(shè)備要求低。本發(fā)明的上述技術(shù)問題是通過如下技術(shù)方案來實現(xiàn)的一種濺射法制備高度取向的CuInS2外延薄膜的方法,將清洗過的CuInS2祀材和襯底分別放在祀臺和樣品臺上裝入真空室，調(diào)整靶臺與樣品臺之間的間距為3(T60mm，開啟樣品臺和靶臺自轉(zhuǎn)，并調(diào)節(jié)樣品臺的自轉(zhuǎn)速度為8 12r/min，靶臺的自轉(zhuǎn)速度為r6r/min，調(diào)節(jié)襯底的生長溫度為10(T70(TC，激光器的脈沖能量為15(T250mJ，激光脈沖頻率為flOHz，開啟激光器，進(jìn)行濺射沉積l(T60min，將CuInS2靶材表面原子濺射出來沉積在襯底表面形成CuInS2外延薄膜。本發(fā)明的CuInS2靶材通過如下方法獲得取CuInS2粉末，加入去離子水進(jìn)行球磨，球磨后進(jìn)行干燥處理，在干燥后的CuInS2粉末中加入去離子水并混勻得混勻物，將混勻物置于模具中，壓制成陶瓷坯片，進(jìn)行燒結(jié)后即獲得CuInS2靶材。在CuInS2靶材的制備過程中取CuInS2粉末，加入占其總重量的8(Tl00%的去離子水進(jìn)行球磨，球磨后調(diào)解溫度為6(Tio(rc進(jìn)行真空干燥處理。
在CuInS2靶材的制備過程中在干燥后的CuInS2粉末中加入占其總重量為8 12%的去離子水并混勻得混勻物。在CuInS2祀材的制備過程中球磨時的轉(zhuǎn)速為12CT200r/min,球磨時間為3 5h。
在CuInS2靶材的制備過程中燒結(jié)時將陶瓷坯片置于真空管式爐中以升溫速率為2000C /h加熱至92(T980°C并保溫I 2h。本發(fā)明所述襯底為C軸取向的藍(lán)寶石和Si (111)襯底。本發(fā)明CuInS2靶材清洗時采用包括丙酮、無水乙醇和去離子水中的一種或多種超
聲波清洗。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點本發(fā)明采用濺射法制備CuInS2外延薄膜的方法相對于其他例如分子束外延(MBE)、金屬有機(jī)物氣相外延(MOVPE)等常用于生長CuInS2外延薄膜的方法具有工藝簡單、設(shè)備要求低等優(yōu)點，為進(jìn)一步研究吸收層CuInS2的電學(xué)性質(zhì)、銅銦硫電池能帶結(jié)構(gòu)、載流子輸運機(jī)制等具有重要意義和價值。


圖I是本發(fā)明實施例1-5中制備的CuInS2陶瓷靶材的XRD- Θ -2 Θ測試圖譜；圖2是本發(fā)明實施例1-5中制備的CuInS2外延薄膜的XRD- Θ -2 Θ測試圖譜；圖3是本發(fā)明實施例1-5制備的CuInS2外延薄膜的XRD-Rocking curve測試圖譜；圖4是本發(fā)明實施例1-5制備的CuInS2外延薄膜的XRD-Phi scan測試圖譜。
具體實施例方式以下結(jié)合實施例來進(jìn)一步解釋本發(fā)明，但以下實施例并不對本發(fā)明做任何形式的限定。實施例ICuInS2陶瓷靶材通過以下方法制備獲得(I)稱取一定量的購置的商業(yè)CuInS2粉末(純度為99. 999%，由四川阿波羅太陽能科技有限責(zé)任公司提供)，放入球磨罐內(nèi)，加入去離子水，去離子水的用量為CuInS2粉末總重量的8(Tl00%，混合并球磨；(2)再將球磨后的粉料置入真空干燥箱干燥后，真空干燥時的溫度為6(T10(TC，粉料中加入去離子水研磨均勻，去離子水的用量為干燥后CuInS2粉末的8 12%，混勻得混勻物，將混勻物置于模具中，壓制成所需要的陶瓷坯片；(3)將陶瓷坯片置入真空管式爐中以200°C /h的升溫速率加熱至920°C、80°C保溫ltT2h進(jìn)行燒結(jié)后，隨爐自然降溫至室溫。制備獲得的CuInS2陶瓷靶材的XRD-Θ-2 Θ測試如圖I所示。濺射法制備高度取向的CuInS2外延薄膜的方法的如下采用C軸取向的藍(lán)寶石作為襯底，將CuInS2陶瓷靶材依次用丙酮、無水乙醇、去離子水經(jīng)超聲波清洗器清洗lOmin，工作頻率40kHz，將清洗過的CuInS2靶材和襯底分別放在靶臺和樣品臺上裝入真空室，調(diào)整靶臺與樣品臺之間的間距為60_，然后利用脈沖激光沉積設(shè)備在襯底生長溫度300°C、激光脈沖能量150mJ、脈沖激光頻率5Hz、樣品臺和靶臺自轉(zhuǎn)速度分別為10r/min和5r/min、沉積時間30min條件下制備CuInS2外延薄膜。CuInS2外延薄膜的XRD- Θ -2 Θ測試如圖2所示，XRD-rocking curve測試如圖3所示，從XRD-Θ-2 Θ測試結(jié)果看出所制備的CuInS2外延薄膜存在(112)晶面高度擇優(yōu)取向，XRD-phi scan如圖4所示，圖4的XRD-phi scan也表明薄膜為高度取向的外延膜。實施例2CuInS2陶瓷靶材的制備方法同實施例I。采用C軸取向的藍(lán)寶石作為襯底，將CuInS2陶瓷靶材依次用丙酮、無水乙醇、去離子水經(jīng)超聲波清洗器清洗lOmin，工作頻率40kHz，將清洗過的CuInS2靶材和襯底分別放在靶臺和樣品臺上裝入真空室，調(diào)整靶臺與樣品臺之間的間距為60mm，然后利用脈沖激光沉 積設(shè)備在襯底生長溫度500°C、激光脈沖能量150mJ、脈沖激光頻率5Hz、樣品臺和靶臺自轉(zhuǎn)速度分別為10r/min和5r/min、沉積時間30min條件下制備CuInS2外延薄膜。CuInS2外延薄膜的XRD- Θ -2 Θ測試如圖2所示，XRD-rocking curve測試如圖3所示，從XRD-Θ-2 Θ測試結(jié)果看出所制備的CuInS2外延薄膜存在(112)晶面高度擇優(yōu)取向，XRD-phi scan如圖4所示，圖4的XRD-phi scan也表明薄膜為高度取向的外延膜。實施例3CuInS2陶瓷靶材的制備方法同實施例I。采用C軸取向的藍(lán)寶石作為襯底，講CuInS2陶瓷靶材依次用丙酮、無水乙醇、去離子水經(jīng)超聲波清洗器清洗lOmin，工作頻率40kHz，將清洗過的CuInS2靶材和襯底分別放在靶臺和樣品臺上裝入真空室，調(diào)整靶臺與樣品臺之間的間距為60mm，然后利用脈沖激光沉積設(shè)備在襯底生長溫度700°C、激光脈沖能量150mJ、脈沖激光頻率5Hz、樣品臺和靶臺自轉(zhuǎn)速度分別為10r/min和5r/min、沉積時間30min條件下制備CuInS2外延薄膜。CuInS2外延薄膜的XRD- Θ -2 Θ測試如圖2所示，XRD-rocking curve測試如圖3所示，從XRD-Θ-2 Θ測試結(jié)果看出所制備的CuInS2外延薄膜存在(112)晶面高度擇優(yōu)取向，圖3的(112)面XRD-rocking curve也顯示700°C生長溫度時半高寬僅為
0.17°，XRD-phiscan如圖4所示，圖4的XRD-phi scan也表明薄膜為高度取向的外延膜，CuInS2 (112)晶面平行于藍(lán)寶石(0001)晶面，且CuInS2 {204}晶面平行于藍(lán)寶石{104}晶面。實施例4CuInS2陶瓷靶材的制備方法同實施例I。采用C軸取向的藍(lán)寶石作為襯底，將CuInS2陶瓷靶材依次用丙酮、無水乙醇、去離子水經(jīng)超聲波清洗器清洗lOmin，工作頻率40kHz，將清洗過的CuInS2靶材和襯底分別放在靶臺和樣品臺上裝入真空室，調(diào)整靶臺與樣品臺之間的間距為60mm，然后利用脈沖激光沉積設(shè)備在襯底生長溫度300°C、激光脈沖能量200mJ、脈沖激光頻率8Hz、樣品臺和靶臺自轉(zhuǎn)速度分別為12r/min和4r/min、沉積時間60min條件下制備CuInS2外延薄膜。XRD- Θ -2 Θ 測試如圖 2 所不,XRD-rocking curve 測試如圖 3 所不,XRD-phi scan如圖4所示，從XRD- Θ -2 Θ測試結(jié)果看出所制備的CuInS2外延薄膜存在(112)晶面擇優(yōu)取向。實施例5CuInS2陶瓷靶材的制備方法同實施例I。
采用C軸取向的藍(lán)寶石作為襯底，將CuInS2陶瓷靶材依次用丙酮、無水乙醇、去離子水經(jīng)超聲波清洗器清洗lOmin，工作頻率40kHz，將清洗過的CuInS2靶材和襯底分別放在靶臺和樣品臺上裝入真空室，調(diào)整靶臺與樣品臺之間的間距為40mm，然后利用脈沖激光沉積設(shè)備在襯底生長溫度200°C、激光脈沖能量250mJ、脈沖激光頻率10Hz、樣品臺和靶臺自轉(zhuǎn)速度分別為8r/min和6r/min、沉積時間IOmin條件下制備CuInS2外延薄膜。XRD- Θ -2 Θ 測試如圖 2 所不,XRD-rocking curve 測試如圖 3 所不,XRD-phi scan如圖4所示，從XRD- Θ -2 Θ測試結(jié)果看出所制備的CuInS2外延薄膜存在(112)晶面擇優(yōu)取向。上述CuInS2靶材的制備方法中的各參數(shù)如去離子水的用量，球磨后真空干燥處理的溫度6(Γιοο ，球墨的轉(zhuǎn)速、球墨的時間、陶瓷坯片燒結(jié)時的溫度設(shè)置及燒結(jié)時間等參數(shù)在上述實施例1-5的合理范圍內(nèi)進(jìn)行選取均可，此處不再一一列舉，制備獲得的CuInS2靶材均可作為濺射法制備高度取向的CuInS2外延薄膜的原料；此外，CuInS2靶材的清洗方式除可以采用依次用丙酮、無水乙醇、去離子水經(jīng)超聲波清洗器清洗lOmin，工作頻率40kHz之外，還可以采用其中的丙酮、無水乙醇、去離子水中的一種或多種超聲波清洗。 上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種濺射法制備高度取向的CuInS2外延薄膜的方法，特征是將清洗過的CuInS2靶材和襯底分別放在靶臺和樣品臺上裝入真空室，調(diào)整靶臺與樣品臺之間的間距為3(T60mm，開啟樣品臺和祀臺自轉(zhuǎn)，并調(diào)節(jié)樣品臺的自轉(zhuǎn)速度為8 12r/min,祀臺的自轉(zhuǎn)速度為4 6r/min,調(diào)節(jié)襯底的生長溫度為10(T700°C，激光器的脈沖能量為15(T250mJ，激光脈沖頻率為l 10Hz，開啟激光器，進(jìn)行濺射沉積l(T60min，將CuInS2靶材表面原子濺射出來沉積在襯底表面形成CuInS2外延薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的濺射法制備高度取向的CuInS2外延薄膜的方法，其特征是CuInS2靶材通過如下方法獲得取CuInS2粉末，加入去離子水進(jìn)行球磨，球磨后進(jìn)行干燥處理，在干燥后的CuInS2粉末中加入去離子水并混勻得混勻物，將混勻物置于模具中，壓制成陶瓷坯片，進(jìn)行燒結(jié)后即獲得CuInS2靶材。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的濺射法制備高度取向的CuInS2外延薄膜的方法，其特征是取CuInS2粉末，加入占其總重量的8(T100%的去離子水進(jìn)行球磨，球磨后調(diào)解溫度為6(TlO(TC進(jìn)行真空干燥處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的濺射法制備高度取向的CuInS2外延薄膜的方法，其特征是在干燥后的CuInS2粉末中加入占其總重量為8 12%的去離子水并混勻得混勻物。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的濺射法制備高度取向的CuInS2外延薄膜的方法，其特征是球磨時的轉(zhuǎn)速為12(T200r/min，球磨時間為3 5h。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的濺射法制備高度取向的CuInS2外延薄膜的方法，其特征是燒結(jié)時將陶瓷坯片置于真空管式爐中以升溫速率為200°C /h加熱至92(T980°C并保溫I 2h。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的濺射法制備高度取向的CuInS2外延薄膜的方法，其特征是所述襯底為C軸取向的藍(lán)寶石和Si (111)襯底。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的濺射法制備高度取向的CuInS2外延薄膜的方法，其特征是CuInS2靶材清洗時采用包括丙酮、無水乙醇和去離子水中的一種或多種超聲波清洗。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種濺射法制備高度取向的CuInS2外延薄膜的方法，將清洗過的CuInS2靶材和襯底分別放在靶臺和樣品臺上裝入真空室，調(diào)整靶臺與樣品臺之間的間距為30~60mm，開啟樣品臺和靶臺自轉(zhuǎn)，并調(diào)節(jié)樣品臺的自轉(zhuǎn)速度為8~12r/min，靶臺的自轉(zhuǎn)速度為4~6r/min，調(diào)節(jié)襯底的生長溫度為100~700℃，激光器的脈沖能量為150~250mJ，激光脈沖頻率為1~10Hz，開啟激光器，進(jìn)行濺射沉積10~60min，將CuInS2靶材表面原子濺射出來沉積在襯底表面形成CuInS2外延薄膜。該方法工藝簡單，對設(shè)備要求低。
文檔編號C23C14/06GK102796988SQ20121030668
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月24日
發(fā)明者何云斌, 方金鋼, 尚勛忠, 王志強(qiáng), 黎明鍇, 常鋼, 周桃生, 尹向陽 申請人:廣州金升陽科技有限公司, 湖北大學(xué)