[发明专利]一种绑定单靶溅射制备Cu3

说明书

本发明涉及一种绑定单靶溅射制备Cu₃SnS₄吸收层的方法，属于光电薄膜材料及新能源技术领域。本发明将预处理衬底放置到磁控溅射腔室内的样品架上，将绑定纯铜靶的三元铜锡硫靶材安装于磁控溅射腔室内，调整绑定纯铜靶的三元铜锡硫靶材和溅射腔体内基底之间的靶基距为80~90mm；将溅射室内本底真空度抽至2.0×10^‑4~6.0×10^‑4Pa，设定工作真空度为0.4~0.5Pa，衬底温度为80~320℃、样品旋转速度为10~20r/min，工艺气体的流量为20~30sccm；预溅射除去靶材表面杂质；在衬底上采用绑定纯铜靶的三元铜锡硫靶直流溅射沉积铜锡硫(Cu₃SnS₄)前驱体层薄膜，其中溅射功率为30~70w，铜锡硫Cu₃SnS₄前驱体层薄膜厚度为790~810nm；在氮气氛围下，将铜锡硫(Cu₃SnS₄)前驱体层薄膜置于过量硫粉中进行硫化退火处理得到Cu₃SnS₄吸收层。

技术领域

本发明涉及一种绑定单靶溅射制备Cu₃SnS₄吸收层的方法，属于光伏材料与器件新能源技术领域。

背景技术

随着社会的发展，传统化石能源的不可再生性及其所造成的环境污染问题已经引起了人们的广泛关注，为了人类社会的可持续发展，可再生能源的发展和利用就显得的越发重要。太阳能电池的发展就是其中之一，CuInGaSe₂（CIGS）和CdTe薄膜太阳能电池已经商业化，但由于In、Ga等元素属于地壳中的稀有元素，Se、Cd等元素又存在毒性，所以在一定程度上限制了该类太阳能电池的推广应用。作为CIGS薄膜电池的替代者，Cu₂ZnSnS₄ (CZTS)因所使用原料无毒，组成元素在地壳中含量丰富，有着合适的能带值、且属于P型半导体材料，在可见光波段有着较高的光吸收系数，已经成为近些年研究的热点。但随着研究的深入，CZTS在合成过程中展示出复杂的晶体结构和需要非常可控的生长条件，已经影响了它的发展。特别是在制备过程中容易产生一些二元、三元的化合物次生相和晶体缺陷，使得基于CZTS的薄膜太阳能电池在光转换效率方面受到很大的约束。

Cu₃SnS₄三元铜基硫化物半导体材料，作为在制备CZTS过程中发现的中间产物之一也受到极大的关注。近些年的研究表明：Cu₃SnS₄具有接近光伏转换最佳值的能带值，同时也具备高的光吸收，组成元素含量丰富和无毒的特点。更重要的是，与四元Cu₂ZnSnS₄ 材料相比，由于元素的减少，极大的增加了结构和成分的可控性，非常适合作为薄膜太阳能电池吸收层材料。文献Phys. Status Solidi C 7, No. 3-4, 901-904 (2010) 采用直流顺序溅射/Sn/Cu，后经硫化退火处理制备出具有斜方结构的Cu₃SnS₄，多靶的使用使得制备工艺变得复杂，功耗也较大。Thin Solid Films , 2015,582 (1/2):229-232 采用射频电源，Cu₂S和SnS₂双靶材共溅射的方法经硫化退火得到四方结构的Cu₃SnS₄，双靶材在溅射过程中容易互相影响和污染，溅射的稳定性、操作性和重复性较差，且也同样存在耗能较大的问题。专利CN102094191A 公布了一种制备择优取向铜锡硫薄膜的方法，其使用配置好含有所需元素的前驱体溶液旋涂处理，后经在水合联氨可密闭容器中干燥处理得到铜锡硫光电薄膜。使用这种方法，薄膜的附着性很难得以保证；其次，联氨有毒设备的使用也不利于大规模的推广和使用。

发明内容