一種純相透明氧化亞銅薄膜的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種純相透明氧化亞銅薄膜的制備方法，其步驟包括清洗襯底；制備含銅氧化亞銅薄膜；含銅氧化亞銅薄膜進行后處理獲得純相氧化亞銅薄膜。本發(fā)明先采用常規(guī)的直流反應(yīng)磁控濺射技術(shù)，在特定的氬氧氣氛下制備出含金屬銅的氧化亞銅薄膜，然后再一定的氣氛條件下進行退火后處理工藝，通過嚴格控制后處理的溫度和時間得到純相氧化亞銅薄膜。本發(fā)明的純相透明氧化亞銅薄膜的制備方法通過直流反應(yīng)磁控濺射和后處理工藝的結(jié)合，即實現(xiàn)氧化亞銅的高速沉積，又獲得純相氧化亞銅薄膜材料。
【專利說明】
一種純相透明氧化亞銅薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種純相透明氧化亞銅薄膜的制備方法，屬于太陽能電池領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]太陽能電池是一種基于半導(dǎo)體pn結(jié)吸收太陽光轉(zhuǎn)變成電能的光伏器件，其太陽光吸收層材料主要包括晶體硅和化合物薄膜如碲化鎘、銅銦鎵砸、氧化亞銅等。
[0003]氧化亞銅(Cu2O)是一種性能優(yōu)異的直接帶隙半導(dǎo)體材料，它的能帶帶隙大小為
2.1eV(對應(yīng)波長為590nm)，可見光吸收系數(shù)高，再加上它具有無毒、低價、原料豐富等優(yōu)點，是光電轉(zhuǎn)換與利用研究領(lǐng)域的重要材料。理論計算顯示基于Cu2O的太陽能電池效率極限可達20%，特別是通過摻雜引入合適的中間帶(intermediate band)后，基于氧化亞銅吸收層的太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率的理論極限可進一步提高到60%。另外，Cu2O具有光催化活性，早在上個世紀就有直接利用氧化亞銅進行可見光催化水的裂解產(chǎn)生氫氣。
[0004]直流磁控濺射技術(shù)作為一種高速沉積的薄膜制備方法，制備出來的薄膜樣品致密度高、沉積速度快，薄膜性能穩(wěn)定，工藝參數(shù)可控性高，適合于工業(yè)化生產(chǎn)。在直流反應(yīng)磁控濺射制備氧化亞銅薄膜的過程中，由于采用的是金屬銅靶和氬氧混合氣反應(yīng)，生成的氧化亞銅薄膜中總是伴隨金屬銅的二次相，從而降低氧化亞銅薄膜的光電性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)中純相氧化亞銅薄膜的制備方法存在的上述問題，本發(fā)明提供一種純相透明氧化亞銅薄膜的制備方法，本發(fā)明通過有效的后處理工藝，將氧化亞銅薄膜中的銅轉(zhuǎn)化成氧化亞銅，從而獲得單相氧化亞銅薄膜，解決了直流反應(yīng)磁控濺射不能制備純相氧化亞銅薄膜的問題。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0007]—種純相透明氧化亞銅薄膜的制備方法，包括如下步驟:
[0008]步驟1:清洗襯底；
[0009]步驟2:制備含銅氧化亞銅薄膜；
[0010]步驟3:含銅氧化亞銅薄膜進行后處理獲得純相氧化亞銅薄膜。
[0011 ] 進一步，所述步驟I包括如下步驟:
[0012]步驟1-1:切割石英玻璃；
[0013]步驟1-2:將切割好的石英玻璃在玻璃清洗劑中浸泡；
[0014]步驟1-3:經(jīng)玻璃清洗劑浸泡后的石英玻璃使用純水超聲清洗；
[0015]步驟1-4:將純水超聲清洗后的石英玻璃用高純氮氣吹干，然后放入真空腔內(nèi)。
[0016]進一步，所述步驟2包括如下步驟:
[0017]步驟2-1:腔體抽真空，使得背景真空達到IX 10—4Pa;
[0018]步驟2-2:在IX 10—4Pa的真空下，石英玻璃襯底加熱，溫度為室溫?350°C;
[0019]步驟2-3:通入高純氬氣，對金屬銅靶進行直流磁控濺射，以去除靶材表面的氧化物；
[0020]步驟2-4:通入氬氣和氧氣兩種氣體，氬氣流量范圍5?20sccm，氧氣流量范圍O?3sccm，通入混合氣體后使得腔體真空度維持在0.3?1Pa;
[0021]步驟2-5:在氬氧混合氣氛下，使用預(yù)濺射處理的金屬銅靶在石英玻璃襯底上進行直流反應(yīng)磁控濺射，沉積含銅氧化亞銅薄膜。
[0022]進一步，所述步驟3包括如下步驟:
[0023]步驟3-1:使用分子栗將真空腔的真空度抽到IX 10—4Pa;
[0024]步驟3-2:將含銅氧化亞銅樣品加熱到250?350°C ；
[0025]步驟3-3:真空腔內(nèi)通入高純氬氣和氧氣混合氣，使得真空腔的氣壓范圍0.3Pa?lOOPa，其中氬氣濃度0%?95%，氧氣濃度5%?100% ；
[0026]步驟3-4:含銅氧化亞銅樣品在氣壓范圍0.3Pa?10Pa的氬氧混合氣下，250?350°C溫度范圍內(nèi)保溫0.5h?I Oh;
[0027]步驟3-5:樣品停止加熱降溫，使用分子栗將腔體真空抽到IX 10—4Pa;
[0028]步驟3-6:真空腔內(nèi)沖入高純氮氣達到大氣壓后，取出樣品。
[0029]進一步，直流磁控濺射過程中的參數(shù)為:
[0030]靶材功率密度2?10W/cm2，氬氧混合氣，工藝真空度0.3?10?&，襯底溫度室溫?350 °C，沉積時間I?30min，薄膜厚度為50?2000nm。
[0031]本發(fā)明的有益效果如下:
[0032]通過直流反應(yīng)磁控濺射和后處理工藝的結(jié)合，即實現(xiàn)氧化亞銅的高速沉積，又獲得純相氧化亞銅薄膜材料。
【附圖說明】
[0033]圖1是含銅氧化亞銅和純相氧化亞銅的XRD對比圖。
【具體實施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0035]本發(fā)明先采用常規(guī)的直流反應(yīng)磁控濺射技術(shù)，在特定的氬氧氣氛下制備出含金屬銅的氧化亞銅薄膜，然后在一定的氣氛條件下進行退火后處理工藝，通過嚴格控制后處理的溫度和時間得到純相氧化亞銅薄膜。具體實施例如下:
[0036]實施例一
[0037]第一步:襯底清洗工藝:
[0038]1、將石英玻璃切割成2 X 2cm2大?。?br>[0039]2、將切割好的石英玻璃在玻璃清洗劑中浸泡24小時；
[0040]3、經(jīng)玻璃清洗劑浸泡后的石英玻璃使用15兆歐純水超聲清洗3遍；
[0041]4、將純水超聲清洗后的石英玻璃用高純氮氣吹干，然后放入真空腔內(nèi)。
[0042]第二步:制備含銅氧化亞銅薄膜:
[0043]1、腔體抽真空，使得背景真空達到I X 10—4Pa;
[0044]2、在I X 10—4Pa的真空下，石英玻璃襯底為室溫；
[0045]3、通入高純氬氣，對金屬銅靶進行直流磁控濺射5分鐘，以去除靶材表面的氧化物；
[0046]4、通入氬氣，氬氣流量5sCCm，使得腔體真空度維持在0.3Pa;
[0047]5、在氬氣氛下，使用預(yù)濺射處理的金屬銅靶在石英玻璃襯底上進行直流反應(yīng)磁控濺射，沉積含銅氧化亞銅薄膜。
[0048]直流反應(yīng)磁控濺射的工藝參數(shù)為:
[0049]靶材功率密度2W/cm2，氬氣，工藝真空度0.3Pa，襯底溫度室溫，沉積時間30min，薄膜厚度為300nmo
[0050]通過上述條件制備出來的樣品經(jīng)XRD測試表明為含金屬銅的氧化亞銅結(jié)構(gòu)。
[0051 ] 第三步:含銅氧化亞銅薄膜進行后處理獲得純相氧化亞銅薄膜:
[0052]1、使用分子栗將真空腔的真空度抽到I X 10—4Pa;
[0053]2、將含銅氧化亞銅樣品加熱到250°C ；
[0054]3、真空腔內(nèi)通入高純氬氣和氧氣混合氣，使得真空腔的氣壓為lOOPa，其中氬氣濃度5%，氧氣濃度95%;
[0055 ] 4、含銅氧化亞銅樣品在I OOPa的氬氧混合氣下，250 °C保溫I Oh;
[0056]5、樣品停止加熱降溫，使用分子栗將腔體真空抽到I X 10—4Pa;
[0057]6、真空腔內(nèi)沖入高純氮氣達到大氣壓后，取出樣品。此時的薄膜顏色為透明的黃色。
[0058]實施例二
[0059]第一步:襯底清洗工藝:
[0060]1、將石英玻璃切割成2 X 2cm2大小；
[0061 ] 2、將切割好的石英玻璃在玻璃清洗劑中浸泡24小時；
[0062]3、經(jīng)玻璃清洗劑浸泡后的石英玻璃使用15兆歐純水超聲清洗3遍；
[0063]4、將純水超聲清洗后的石英玻璃用高純氮氣吹干，然后放入真空腔內(nèi)。
[0064]第二步:制備含銅氧化亞銅薄膜:
[0065]1、腔體抽真空，使得背景真空達到I X 10—4Pa;
[0066]2、在I X 10—4Pa的真空下，石英玻璃襯底加熱，溫度為200°C ;
[0067]3、通入高純氬氣，對金屬銅靶進行直流磁控濺射5分鐘，以去除靶材表面的氧化物；
[0068]4、通入氬氣和氧氣兩種氣體，氬氣流量范圍1sccm，氧氣流量范圍1.5sccm，通入混合氣體后使得腔體真空度維持在3Pa ；
[0069]5、在氬氧混合氣氛下，使用預(yù)濺射處理的金屬銅靶在石英玻璃襯底上進行直流反應(yīng)磁控濺射，沉積含銅氧化亞銅薄膜。
[0070]直流反應(yīng)磁控濺射的工藝參數(shù)為:
[0071]靶材功率密度5W/cm2，氬氧混合氣，工藝真空度3Pa，襯底溫度室200°C，沉積時間20min，薄膜厚度為lOOOnm。
[0072]通過上述條件制備出來的樣品經(jīng)XRD測試表明為含金屬銅的氧化亞銅結(jié)構(gòu)。
[0073]第三步:含銅氧化亞銅薄膜進行后處理獲得純相氧化亞銅薄膜:
[0074]1、使用分子栗將真空腔的真空度抽到I X 10—4Pa;
[0075]2、將含銅氧化亞銅樣品加熱到300Γ ;
[0076]3、真空腔內(nèi)通入高純氬氣和氧氣混合氣，使得真空腔的氣壓范圍30Pa，其中氬氣濃度80%，氧氣濃度20%;
[0077]4、含銅氧化亞銅樣品在氣壓范圍30Pa的氬氧混合氣下，300°C保溫3h;
[0078]5、樣品停止加熱降溫，使用分子栗將腔體真空抽到I X 10—4Pa;
[0079]6、真空腔內(nèi)沖入高純氮氣達到大氣壓后，取出樣品。此時的薄膜顏色為透明的黃色。
[0080]實施例三
[0081 ]第一步:襯底清洗工藝:
[0082]1、將石英玻璃切割成2 X 2cm2大小；
[0083]2、將切割好的石英玻璃在玻璃清洗劑中浸泡24小時；
[0084]3、經(jīng)玻璃清洗劑浸泡后的石英玻璃使用15兆歐純水超聲清洗3遍；
[0085]4、將純水超聲清洗后的石英玻璃用高純氮氣吹干，然后放入真空腔內(nèi)。
[0086]第二步:制備含銅氧化亞銅薄膜:
[0087]1、腔體抽真空，使得背景真空達到I X 10—4Pa;
[0088]2、在I X 10—4Pa的真空下，石英玻璃襯底加熱，溫度為350°C ；
[0089]3、通入高純氬氣，對金屬銅靶進行直流磁控濺射5分鐘，以去除靶材表面的氧化物；
[0090]4、通入氬氣和氧氣兩種氣體，氬氣流量20sCCm，氧氣流量3sCCm，通入混合氣體后使得腔體真空度維持在1Pa;
[0091]5、在氬氧混合氣氛下，使用預(yù)濺射處理的金屬銅靶在石英玻璃襯底上進行直流反應(yīng)磁控濺射，沉積含銅氧化亞銅薄膜。
[0092]直流反應(yīng)磁控濺射的工藝參數(shù)為:
[0093]靶材功率密度lOW/cm2，氬氧混合氣，工藝真空度1Pa，襯底溫度350°C，沉積時間15min，薄膜厚度為3000nm。
[0094]通過上述條件制備出來的樣品經(jīng)XRD測試表明為含金屬銅的氧化亞銅結(jié)構(gòu)，顯示在圖1中。
[0095]第三步:含銅氧化亞銅薄膜進行后處理獲得純相氧化亞銅薄膜:
[0096]1、使用分子栗將真空腔的真空度抽到I X 10—4Pa;
[0097]2、將含銅氧化亞銅樣品加熱到350°C ；
[0098]3、真空腔內(nèi)通入高純氬氣和氧氣混合氣，使得真空腔的氣壓為lOOPa，其中氬氣濃度95%，氧氣濃度5%;
[0099]4、含銅氧化亞銅樣品在氣壓范圍10Pa的氬氧混合氣下，350°C保溫0.5h;
[0100]5、樣品停止加熱降溫，使用分子栗將腔體真空抽到I X 10—4Pa;
[0101]6、真空腔內(nèi)沖入高純氮氣達到大氣壓后，取出樣品。此時的薄膜顏色為透明的黃色。
[0102]退火后的樣品經(jīng)XRD測試表明為純相氧化亞銅結(jié)構(gòu)，顯示在圖1中
[0103]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種純相透明氧化亞銅薄膜的制備方法，包括如下步驟: 步驟1:清洗襯底； 步驟2:制備含銅氧化亞銅薄膜； 步驟3:含銅氧化亞銅薄膜進行后處理獲得純相氧化亞銅薄膜。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種純相透明氧化亞銅薄膜的制備方法，其特征在于:所述步驟I包括如下步驟: 步驟1-1:切割石英玻璃； 步驟1-2:將切割好的石英玻璃在玻璃清洗劑中浸泡； 步驟1-3:經(jīng)玻璃清洗劑浸泡后的石英玻璃使用純水超聲清洗； 步驟1-4:將純水超聲清洗后的石英玻璃用高純氮氣吹干，然后放入真空腔內(nèi)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種純相透明氧化亞銅薄膜的制備方法，其特征在于:所述步驟2包括如下步驟: 步驟2-1:腔體抽真空，使得背景真空達到I X 10—4Pa; 步驟2-2:在I X 10—4Pa的真空下，石英玻璃襯底加熱，溫度為室溫?350°C ； 步驟2-3:通入高純氬氣，對金屬銅靶進行直流磁控濺射，以去除靶材表面的氧化物； 步驟2-4:通入氬氣和氧氣兩種氣體，氬氣流量范圍5?20sccm，氧氣流量范圍O?3sccm，通入混合氣體后使得腔體真空度維持在0.3?1Pa; 步驟2-5:在氬氧混合氣氛下，使用預(yù)濺射處理的金屬銅靶在石英玻璃襯底上進行直流反應(yīng)磁控濺射，沉積含銅氧化亞銅薄膜。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種純相透明氧化亞銅薄膜的制備方法，其特征在于:所述步驟3包括如下步驟: 步驟3-1:使用分子栗將真空腔的真空度抽到I X 10—4Pa; 步驟3-2:將含銅氧化亞銅樣品加熱到250?350°C ； 步驟3-3:真空腔內(nèi)通入高純氬氣和氧氣混合氣，使得真空腔的氣壓范圍0.3Pa?lOOPa，其中氬氣濃度0%?95%，氧氣濃度5%?100% ； 步驟3-4:含銅氧化亞銅樣品在氣壓范圍0.3Pa?10Pa的氬氧混合氣下，250?350°C溫度范圍內(nèi)保溫0.5h?1h; 步驟3-5:樣品停止加熱降溫，使用分子栗將腔體真空抽到I X 10—4Pa; 步驟3-6:真空腔內(nèi)沖入高純氮氣達到大氣壓后，取出樣品。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種純相透明氧化亞銅薄膜的制備方法，其特征在于:直流磁控濺射過程中的參數(shù)為: 靶材功率密度2?10W/cm2，氬氧混合氣，工藝真空度0.3?1Pa，襯底溫度室溫?350°C，沉積時間I?30min，薄膜厚度為50?2000nmo
【文檔編號】C23C14/08GK105839063SQ201610225636
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年4月12日
【發(fā)明人】杜文漢, 楊景景, 趙宇, 張燕, 劉珂琴, 熊超, 朱錫芳
【申請人】常州工學(xué)院