專利名稱：Cis系薄膜的濺鍍方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種濺鍍方法，特別是指一種CIS(copper indium chalcogenides)系薄膜的濺鍍方法。
背景技術(shù)：
為解決人類近幾十年來因過度開發(fā)所面臨的能源危機(jī)與環(huán)境污染 等問題，太陽能電池(solar cdl)的開發(fā)已嚴(yán)然成為解決能源危機(jī)等問題 的主要研究課題。在以二硒化銅銦(CuInSe2)三元化合物所衍生出來的CIS系的太陽 能電池中，其p型半導(dǎo)體吸收層所常見的CIS系材料有CuInSe2、 Cu(InxGai.x)(SeyS2.y)、 Cu(InxAl.x)(SeyS2.y:^。由于此類CIS系材料的能 隙(band gap)結(jié)構(gòu)屬于直接能隙(direct band gap),且其光吸收系數(shù) (absorbance)高達(dá)l()S數(shù)量級(jí)；因此，此類CIS系材料具有優(yōu)異的光電轉(zhuǎn) 換效率(photoelectric conversion e伍ciency)，并廣范地被所述技術(shù)領(lǐng)域的 技術(shù)人員所看好。熟悉太陽能電池相關(guān)領(lǐng)域的人都知道，CIS系薄膜的光電轉(zhuǎn)換效率 的質(zhì)量，主要是受CIS系薄膜的化學(xué)劑量比所限制。以CuInSe2或以 Cu(InxADSeyS2.y)舉例來說，光電轉(zhuǎn)換效率質(zhì)量高的鍍膜的化學(xué)劑量比是l: 1: 2。當(dāng)CIS系薄膜的化學(xué)劑量比偏離1: 1: 2時(shí)，則表示CIS系薄膜因無法取得完美的黃銅礦晶相(chalcopyrite phase)質(zhì)量而破壞了 其能隙結(jié)構(gòu)；因此，光電轉(zhuǎn)換效率也相對(duì)地下降。US 2005/0109293專利公開申請(qǐng)(以下稱現(xiàn)有申請(qǐng)1)揭露一種大面 積的薄膜太陽能電池的制造設(shè)備及制作方法?，F(xiàn)有申請(qǐng)1在制作CIS系 薄膜的制作方法中，主要是提及兩種制作方法。其中一種制作方法是 使用共濺鍍(co-sputtering)法對(duì)一個(gè)第一靶材(含有Cu、Se的組分)及一個(gè) 第二靶材(含有In、 Ga、 Se的組分，或含有In、 Al、 Se的組分)分別施加 一個(gè)特定輸出功率，以形成一種Cu(InxGa^)Se2膜或一種Cu(InxAlLx)Se23膜。其中另一種制作方法是在一個(gè)含有氬氣(Ar)與硒化氫(H2Se)氣體的 真空環(huán)境內(nèi)使用反應(yīng)式(reactive)共濺鍍法，對(duì)兩個(gè)含有Cu、 In、 Ga的 靶材或兩個(gè)含有Cu、 In、 Al的靶材分別施加一個(gè)特定輸出功率，以形 成該Cu(InxGa，.x)Se2膜或該Cu(InxAli.x)Se2膜?，F(xiàn)有申請(qǐng)1所揭示的的共濺鍍法，雖然可鍍制并取得該 Cu(InxGa,-》Se2膜或該Cu(InxAl,.x)Se2膜；然而，共濺鍍法于濺鍍過程中， 因不易控制各靶材的輸出功率而使得最終所制得的CIS系薄膜無法取 得精準(zhǔn)的化學(xué)劑量比；因此，由現(xiàn)有申請(qǐng)l所揭露的共濺鍍法所制得的 CIS系薄膜，不僅結(jié)晶性(crystallinity)差，此外，濺鍍過程中的制造方 法條件也不易掌握。通過上述的說明可知，開發(fā)出可精準(zhǔn)地掌控CIS系薄膜的化學(xué)劑量 比的制作方法，是薄膜太陽能電池相關(guān)領(lǐng)域所需解決的難題。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種CIS系薄膜的濺鍍方法。本發(fā)明CIS系薄膜的濺鍍方法，包含以下步驟在一個(gè)含有惰性氣體的減壓環(huán)境內(nèi)，對(duì)一種含有CuIn,Ga^SySe2-y的組分并具有黃銅礦晶 相的耙材施加一個(gè)預(yù)定輸出功率，以在該減壓環(huán)境內(nèi)產(chǎn)生一種含有該 耙材的組分的電漿氣體，且在一基材上形成一種含有CuInxGa,-xSySe2—y 的組分并呈黃銅礦晶相的薄膜，其中，0.8^x蕓l， 0SyS2。本發(fā)明的有益效果在于，提供出可精準(zhǔn)地掌控CIS系薄膜的化學(xué) 劑量比的濺鍍方法，以使得所鍍制出來的CIS系薄膜得以因具備有完 美的黃銅礦晶相而優(yōu)化CIS系薄膜本身的光電轉(zhuǎn)換效率。


下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明 圖1是一個(gè)XRD能譜圖，說明利用化學(xué)濕法合成法所制備的CIS系粉體的晶相結(jié)構(gòu)。圖2是一個(gè)XRD能譜圖，說明使用CIS系粉體并通過粉末冶金的制 造方法所制得的CIS系靶材的晶相結(jié)構(gòu)。圖3是一個(gè)XRD能譜圖，說明由本發(fā)明CIS系薄膜的濺鍍方法的一4個(gè)具體實(shí)施例所制得的CIS系薄膜的晶相結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施方式
有關(guān)本發(fā)明的前述及其它技術(shù)內(nèi)容、特點(diǎn)與功效，在以下結(jié)合參 考附圖的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例與一個(gè)實(shí)施例的詳細(xì)說明中，將可清楚的呈 現(xiàn)。發(fā)明詳細(xì)說明本發(fā)明CIS系薄膜的濺鍍方法的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，包含以下步驟在一個(gè)含有惰性氣體的減壓環(huán)境內(nèi)，對(duì)一種含有CuKGa^SySe2.y的組 分并具有黃銅礦晶相的靶材施加一個(gè)預(yù)定輸出功率，以在該減壓環(huán)境 內(nèi)產(chǎn)生一種含有該靶材的組分的電漿氣體，并在一基材上形成一種含 有CuInxGa^SySe2.y的組分且呈黃銅礦晶相的薄膜，其中，0.8^x^1，首先，優(yōu)選地，該靶材是通過對(duì)一種含有CuI^Ga^SySe2.y的組分 并具有黃銅礦晶相的粉體(也就是，含有CIS系的組分的粉體)施加粉末 冶金(powdermetallurgy)所形成；更優(yōu)選地，該含有CuInxGa,—xSySe2.y的 組分并具有黃銅礦晶相的粉體是通過化學(xué)濕法合成法(chemical reflux synthesis method)所形成。此處值得注意的是，化學(xué)濕法合成法可精準(zhǔn)地控制化學(xué)劑量比以 有效地合成出具有高純度的黃銅礦晶相的CIS系粉體；此外，利用此類高純度的黃銅礦晶相的CIS系粉體進(jìn)一步地以粉末冶金法熱壓制作成 塊材，也可構(gòu)成富含黃銅礦晶相的CIS系靶材。因此，本發(fā)明只需對(duì)具 有此CIS系的組分并富含黃銅礦晶相的單一靶材提供該預(yù)定輸出功率，就可避免背景技術(shù)中所使用的共濺鍍法因不易控制各靶材的輸出功率，而衍生于CIS系薄膜的化學(xué)劑量比精準(zhǔn)度不足等問題。值得一提的是，當(dāng)該減壓環(huán)境的工作壓力過高時(shí)，該靶材的組分 的電漿氣體將受到過剩的殘留氣體分子的干擾而影響鍍率，并使得該含有CuHGa^SySe2-y的組分的薄膜因結(jié)晶不完整而影響其載子的濃度 與遷移率(mobility)。相反地，當(dāng)該減壓環(huán)境的工作壓力過低時(shí)，該減 壓環(huán)境內(nèi)將因該惰性氣體分子的含量過少而降低該惰性氣體分子的解 離率，并導(dǎo)致鍍膜工作無法進(jìn)行。因此，優(yōu)選地，該減壓環(huán)境的工作5壓力是在1 mTorr ~ 50 mTorr之間。又值得一提的是，當(dāng)該預(yù)定輸出功率過大時(shí)，雖然可提升鍍膜速 率，但是卻降低了該含有CUInxGai.xSySe2—y的組分的薄膜的附著性 (adhesion)。相反地，當(dāng)該預(yù)定輸出功率過小時(shí)，將因鍍率的下降而需 相對(duì)地延長鍍膜時(shí)間，因而耗費(fèi)掉時(shí)間成本。因此，優(yōu)選地，該預(yù)定 輸出功率是在20 W 300W之間；更優(yōu)選地，該預(yù)定輸出功率是在20W ~ 150 W之間。此外，當(dāng)該基材的溫度過低時(shí)，該含有CuInxGa^SySe^的組分的 薄膜在沉積過程中，將因電漿溫度的影響而與該基材之間形成溫度差， 并于完成濺鍍制造方法后致使該含有OiIi^Ga^SySe2.y的組分的薄膜產(chǎn) 生破裂等問題。相反地，當(dāng)該基材的溫度較高時(shí)，該含有 CuInxGa卜xSySe2.y的組分的薄膜將產(chǎn)生再結(jié)晶(recrystamzation)的現(xiàn)象， 雖然此再結(jié)晶現(xiàn)象對(duì)該含有CuInxGauxSySe2.y的組分的薄膜并無不良影 響；然而，基于制作成本的考慮，過高的基材溫度對(duì)于薄膜的性能不 僅無法提供額外的功效也耗費(fèi)掉無謂的生產(chǎn)成本。因此，優(yōu)選地，該 基材的溫度是在25'C 45(TC之間；更優(yōu)選地，該基材的溫度是在12(TC 35(TC之間。另值得一提的是，當(dāng)該靶材與基材之間的距離過小時(shí)，將使得該 基材因近距離地直接接觸該電漿氣體的高溫而導(dǎo)致基材溫度過高，不 僅不利于高溫穩(wěn)定性低的基材，也將使得該含有CuInxGa^SySe2.y的組 分的薄膜于完成濺鍍制造方法后的冷卻過程中，因熱膨脹系數(shù)(thermal expansion coefficient)差的問題而產(chǎn)生裂縫。相反地，當(dāng)該基材(位于陽 極)與該靶材(位于陰極)之間的距離過大時(shí)，將使得兩極因間距過大而 影響鍍率，并需通過增加輸出功率的途徑來提升鍍率。因此，優(yōu)選地， 該靶材與基材之間的距離是在5 cm 15 cm之間。實(shí)施例本發(fā)明CIS系薄膜的濺鍍方法的一個(gè)實(shí)施例簡單地說明如下。 首先，利用化學(xué)濕法合成法制備CIS系粉體。在一個(gè)含有N2且體積 為2000 ml的反應(yīng)槽內(nèi)混合1200 ml的二甲基甲酰胺(dimethyl fo畫mide，簡稱DMF)以及摩爾數(shù)比為1: 0.8: 0.2: 2的0^12.2恥、 InCl34H20、 Ga與Se，以使得DMF在該反應(yīng)槽內(nèi)取出CuCl2-2H20、InCl3，4H20、 Ga與Se的陽離子與陰離子，并形成一呈均質(zhì)相 (homogeneous phase)且含有Cu、 In、 Ga與Se白勺母1本(precursor)。該呈均 質(zhì)相的母體經(jīng)18(TC回流(reflux)約48個(gè)小時(shí)后，進(jìn)一步地反應(yīng)形成一重 量339.77 g且平均粒徑l pm 5 pm的CuIna8Gao.2Se2粉體(也就是， x=0.8; y=0)。在該化學(xué)濕法合成法中，CuCl2'2H20、 Ina3'4H20、 Ga 與Se的用量分別是177.32g、 243.36 g、 14.56 g與164.32 g。請(qǐng)參見圖1 ，由該CuIna8Gaa2Se2粉體的X射線衍射(X-ray diffraction,簡稱XRD)能譜圖的分析數(shù)據(jù)顯示可知，該CuIn。.sGa。.2Se2 粉體的三大衍射信號(hào)峰，是分別出現(xiàn)在趨近27。、 44。與53。處的(112)、 (204/220)與(312)等呈黃銅礦晶相的晶面；且只在約65。與71。處分別出 現(xiàn)有微弱的(400)與(316)等晶面的閃鋅礦晶相(sphalerite phase)衍射信 號(hào)峰。顯然地，該CuIno.8Ga。.2Se2粉體是高純度的黃銅礦晶相的CIS系粉 末。進(jìn)一步地，使用前述CuIno.8Ga。.2Se2粉體并利用粉末冶金制造方法 制備CIS系靶材。在一個(gè)腔體內(nèi)的一個(gè)模具(圖未示)中填置該 CuIno.8Gao.2Se2粉體80g。以5 。C/min的升溫速率對(duì)該CuIno.sGao.2Se2粉體 施加升溫同時(shí)對(duì)該腔體抽真空；當(dāng)該腔體內(nèi)的真空度達(dá)2.0xl0—3 Torr左 右時(shí)(歷時(shí)約l小時(shí))，在該腔體內(nèi)引入Ar，并分別以相同的升溫速率及 1.7 MPa/min的升壓速率對(duì)該CuIno.8Ga。.2Se2粉體施加升溫與升壓達(dá) 780。C與150MPa(約歷時(shí)1.5小時(shí))。最后，在包持該壓力與溫約4小時(shí)之 后，移除150 MPa的壓力并在Ar的氛圍下自然冷卻以制得一 CuIno.8Gao.2Se2靶材。在該粉末冶金的制造方法中，該CuIno.8Gao.2Se2耙 材的外觀是直徑與厚度分另ij3英寸(in)與3 mm的圓板狀。請(qǐng)參見圖2，由該CuIn。.8Gao.2Se2靶材的XRD能譜圖顯示可知，該 CuIno.8Gaa2Se2靶材只于約65。、與71。與82。處分別出現(xiàn)有微弱的(400)、 (316)與(424)等晶面的閃鋅礦晶相衍射信號(hào)峰，顯示該CuIn。.8Ga。.2Se2耙 材是高純度的黃銅礦晶相的CIS系靶材。在 一 個(gè)射頻(r.f.)濺鍍系統(tǒng)的反應(yīng)腔體(chamber)內(nèi)引入流量約19 sccm的Ar，以維持該減壓環(huán)境的工作壓力約為8 mTorr，并對(duì)該 CuInQ.8Gaa2Se2靶材施加75 W的輸出功率以在該基材上形成一 CuIn。.sGaa2Se2薄膜。在本發(fā)明CIS系薄膜的濺鍍方法的實(shí)施例中，該基材的溫度是200。C;該CuIna8Ga(uSe2靶材與基材之間的距離是10 cm。
請(qǐng)參見圖3，由本發(fā)明該實(shí)施例的濺鍍方法所制得的CuIno.8Gao.2Se2薄膜的XRD能譜圖顯示可知，原本出現(xiàn)于圖2中的微弱的(400)、 (316)與(424)等晶面的閃鋅礦衍射信號(hào)峰已明顯地下降許多。在圖3中所呈現(xiàn)的三大主峰，分別為黃銅礦晶相的(112)、 (204/220)與(312)等晶面。因此，由本發(fā)明的濺鍍方法所制得的CIS系薄膜具備有完美的黃銅礦晶相，同時(shí)也提高了CIS系薄膜的光電轉(zhuǎn)換效率。
綜上所述，本發(fā)明CIS系薄膜的濺鍍方法可精準(zhǔn)地掌控CIS系薄膜的化學(xué)劑量比，以使得所鍍制的CIS系薄膜得以因具備有完美的黃銅礦晶相而優(yōu)化其薄膜本身的光電轉(zhuǎn)換效率，所以確實(shí)能達(dá)到本發(fā)明的目的。
權(quán)利要求
1、一種CIS系薄膜的濺鍍方法，其特征在于，該CIS系薄膜的濺鍍方法包含以下步驟在一個(gè)含有惰性氣體的減壓環(huán)境內(nèi)，對(duì)一種含有CuInxGa1-xSySe2-y的組分并具有黃銅礦晶相的靶材施加一個(gè)預(yù)定輸出功率，以在該減壓環(huán)境內(nèi)產(chǎn)生一種含有該靶材的組分的電漿氣體，且在一基材上形成一種含有CuInxGa1-xSySe2-y的組分并呈黃銅礦晶相的薄膜，其中，0.8≦x≦1，0≦y≦2。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的CIS系薄膜的濺鍍方法，其特征在于，所 述靶材是通過對(duì)一種含有CuI^Ga"SySe2.y的組分并具有黃銅礦晶相的 粉體施加粉末冶金所形成。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的CIS系薄膜的濺鍍方法，其特征在于，所 述含有CuIr^GakSySe2.y的組分并具有黃銅礦晶相的粉體是通過化學(xué)濕 法合成法所形成。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的CIS系薄膜的濺鍍方法，其特征在于，所 述減壓環(huán)境的工作壓力是在l mTorr 50mTorr之間。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的CIS系薄膜的濺鍍方法，其特征在于，所 述預(yù)定輸出功率是在20W 300 W之間。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的CIS系薄膜的濺鍍方法，其特征在于，所 述基材的溫度是在25"C 450'C之間。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的CIS系薄膜的濺鍍方法，其特征在于，所 述靶材與基材之間的距離是在5 cm 15 cm之間。
全文摘要
一種CIS系薄膜的濺鍍方法，包含以下步驟在一個(gè)含有惰性氣體的減壓環(huán)境內(nèi)對(duì)一種含有CuIn_xGa_1-xS_ySe_2-y的組分并具有黃銅礦晶相的靶材施加一個(gè)預(yù)定輸出功率，以在該減壓環(huán)境內(nèi)產(chǎn)生一種含有該靶材的組分的電漿氣體，且在一基材上形成一種含有CuIn_xGa_1-xS_ySe_2-y的組分并呈黃銅礦晶相的薄膜，其中，0.8≤x≤1，0≤y≤2。
文檔編號(hào)C23C14/06GK101519764SQ20081000754
公開日2009年9月2日 申請(qǐng)日期2008年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月27日
發(fā)明者傅耀賢, 周邦彥, 林世仁, 陳春暉, 黃文啟 申請(qǐng)人:威奈聯(lián)合科技股份有限公司