[发明专利]铜合金靶材、其制造方法、及其制成的薄膜及太阳能电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种铜合金靶材，尤其是一种含有完整成分，且近单相的 铜镓靶材，其能提升薄膜质量及良率。

背景技术

在现今石化燃料日渐短缺的时代，替代性能源的应用愈形重要，其中 又以可提供成本低廉且电力源源不绝的太阳能电池(solar cell)最被看好。太 阳能电池的种类通常可分为芯片型(wafer type)与薄膜型(thin film type)。虽 然硅芯片型太阳能电池为目前市场主流，但其光吸收原理为间接能隙 (indirect energy gap)，需要较厚的硅材料作为吸收层(absorber)，且目前上游 硅原料有严重短缺的问题，因而薄膜型太阳能电池中的含铜铟镓硒 (Cu-In-Ga-Se，CIGS)太阳能电池成为最具发展前景的太阳能电池之一。

以CIGS化合物作为吸收层材料的太阳能电池除了因为是直接能隙 (direct energy gap)，而只需要一层很薄的硅材料即可拥有高光电转换效率的 优点之外，更具备材料及工艺成本低、抗辐射能力强以及性能稳定等优点。 CIGS薄膜的制作方式有化学气相沉积(chemical vapor deposition，CVD)(请 参考美国第5,474,939号专利案)、物理气相沉积(physical vapor deposition， PVD)、共蒸镀(co-evaporation)(请参考美国第5,141,564号专利案)以及液相 沉积(liquid phase deposition，LPE)等；其中属于PVD的溅镀法(sputter)工艺 简便且元素成分容易控制，形成的薄膜特性佳，是目前最有效的工业化成 膜方式。

目前最常用的成膜工艺称为硒化法，先沉积CIG先驱物(precursor)，再 经由硒化(selenization)工艺的热化学反应形成CIGS薄膜(请参考日本特开平 10-135495专利案)。溅镀靶材的制作分为粉末冶金与铸造两大类。在粉末 冶金方面，由于镓(Ga)与铟(In)的熔点低，在制造时会面临打粉的问题，且 残靶回收的工艺繁复，造成靶材成本高。但铸造工艺时由于Cu/In/Ga/Se四 种元素的熔点差异太大(Cu：1083℃；Ga：29.8℃)，所以亦有析出的问题。

目前利用一般真空熔炼技术(VIM)制造的铜铟镓或铜镓靶材，其微结构 为固溶相与化合物相组成的共析组织，其中化合物相面积占整体靶材面积 的30-40％，此种微观结构的缺点为：(1)靶材容易因组织分布不均匀，产生 宏观或微观的成分偏析；(2)不同合金相有溅镀效率的差异，可能导致薄膜 成分不均匀及性质不佳；(3)不同合金相可能在溅镀过程中诱发微电弧 (microarcing)现象，进而影响薄膜质量。故可知使用于溅镀工艺的靶材在制 造CIGS太阳能电池时扮演关键性的角色。

发明内容

本发明人有鉴于使用在薄膜工艺中的既有靶材，在制造时会出现许多 缺陷，而影响所形成的薄膜的质量，因此经过长时间的研究以及不断的试 验之后，终于发明出此铜合金靶材。

本发明的目的在于提供一种靶材工艺，其是经由热机处理(塑性加工) 或热退火处理后将晶粒细化，以得到(近)单相组织，使得靶材成分分布均匀， 几乎无偏析现象发生。

本发明的另一目的在于提供一种靶材，其是以上述工艺所制造的靶材， 其是一种化合物相的面积很小的近单相铜合金靶材。

本发明的再一目的在于提供一种薄膜，通过利用(近)单相组织的靶材进 行溅镀反应所形成的均匀薄膜。

本发明的又一目的在于提供一种太阳能薄膜电池，其包括利用(近)单相 组织的靶材进行溅镀反应所形成的均匀薄膜。

本发明涉及一种铜合金靶材的制造方法，其包括：

形成一靶材初胚，其组成为Cu_xGa_1-x，其中上述x是以原子百分比(at％) 表示，x＝0.71-0.78；以及

将靶材初胚在500-850℃的温度区间进行热机处理或热退火处理，以制 成组成为Cu_xGa_1-x的靶材，其中上述x是以原子百分比(at％)或者原子比表 示，x＝0.71-0.78，而化合物相面积小于整体靶材面积的25％，上述热机处 理或热退火处理为步骤(I)、步骤(II)或其组合，其中，

步骤(I)是将靶材初胚在500-850℃区间进行热机处理；