一种溅射法制备高度取向的CuInS

摘要

本发明公开了一种溅射法制备高度取向的CuInS

说明书

技术领域

本发明涉及一种CuInS₂外延薄膜的制备方法，具体涉及一种溅射法制备高度取向的CuInS₂外延薄膜的方法。 

背景技术

在上个世纪70年代，贝尔实验室发现I-III-VI₂化合物半导体CuInSe₂具有光电转换效应。但是在随后发现CuInS₂禁带宽度（Eg=1.5eV）比CuInSe₂（Eg=1.02eV）宽，这使电池具有较高的开路电压从而提高电池光电转换效率，此外CuInS₂也具有高吸收系数（10⁴~10⁵cm^-3）、原料丰富、低成本、低毒性、无光致衰减等优点。作为新一代半导体薄膜太阳能电池吸收材料，得到广泛关注。理论上CuInS₂薄膜电池的光电转换效率为28.5%，然而目前所报道的实际CuInS₂薄膜电池的最高效率只有13%左右，究其原因是人们对CuInS₂材料的电学性质、以及其作为电池吸收层材料的作用机理了解不深，目前对于该种材料研究重点在于电池转换效率的提高，而对其机理研究还不足。 

因此，近年来CuInS₂外延薄膜被广泛用于研究CuInS₂的电学性质，例如：掺杂类型、掺杂浓度、电子亲和势，电子空穴迁移率等等。同时也被用于研究CuInS₂与窗口层ZnO、缓冲层的晶格匹配以及能带结构的研究。而制备高度取向的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）方法制备得到CuInS₂外延薄膜，目前CuInS₂外延薄膜主要生长方法是分子束外延（MBE）以及金属有机物气相外延（MOVPE）等方法，这些方法工艺复杂，对设备要求高，生长速率低，难于控制两种以上V族元素，易出现表面形态的卵形缺陷、长须状缺陷及多晶生长。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供溅射法制备高度取向的CuInS₂外延薄膜的方法，该方法工艺简单，对设备要求低。 

本发明的上述技术问题是通过如下技术方案来实现的：一种溅射法制备高度取向的CuInS₂外延薄膜的方法，将清洗过的CuInS₂靶材和衬底分别放在靶台和样品台上装入真空室，调整靶台与样品台之间的间距为30~60mm，开启样品台和靶台自转，并调节 样品台的自转速度为8~12r/min，靶台的自转速度为4~6r/min，调节衬底的生长温度为100~700℃，激光器的脉冲能量为150~250mJ，激光脉冲频率为1~10Hz，开启激光器，进行溅射沉积10~60min，将CuInS₂靶材表面原子溅射出来沉积在衬底表面形成CuInS₂外延薄膜。 

本发明的CuInS₂靶材通过如下方法获得：取CuInS₂粉末，加入去离子水进行球磨，球磨后进行干燥处理，在干燥后的CuInS₂粉末中加入去离子水并混匀得混匀物，将混匀物置于模具中，压制成陶瓷坯片，进行烧结后即获得CuInS₂靶材。 

在CuInS₂靶材的制备过程中：取CuInS₂粉末，加入占其总重量的80~100%的去离子水进行球磨，球磨后调解温度为60~100℃进行真空干燥处理。 

在CuInS₂靶材的制备过程中：在干燥后的CuInS₂粉末中加入占其总重量为8~12%的去离子水并混匀得混匀物。 

在CuInS₂靶材的制备过程中：球磨时的转速为120~200r/min，球磨时间为3~5h。 

在CuInS₂靶材的制备过程中：烧结时将陶瓷坯片置于真空管式炉中以升温速率为200℃/h加热至920~980℃并保温1~2h。 

本发明所述衬底为C轴取向的蓝宝石和Si（111）衬底。 

本发明CuInS₂靶材清洗时采用包括丙酮、无水乙醇和去离子水中的一种或多种超声波清洗。 

与现有技术相比，本发明具有如下优点：本发明采用溅射法制备CuInS₂外延薄膜的方法相对于其他例如分子束外延（MBE）、金属有机物气相外延（MOVPE）等常用于生长CuInS₂外延薄膜的方法具有工艺简单、设备要求低等优点，为进一步研究吸收层CuInS₂的电学性质、铜铟硫电池能带结构、载流子输运机制等具有重要意义和价值。 

附图说明

图1是本发明实施例1-5中制备的CuInS₂陶瓷靶材的XRD-θ-2θ测试图谱； 

图2是本发明实施例1-5中制备的CuInS₂外延薄膜的XRD-θ-2θ测试图谱； 

图3是本发明实施例1-5制备的CuInS₂外延薄膜的XRD-Rocking curve测试图谱； 

图4是本发明实施例1-5制备的CuInS₂外延薄膜的XRD-Phi scan测试图谱。 

具体实施方式

以下结合实施例来进一步解释本发明，但以下实施例并不对本发明做任何形式的限定。 

实施例1 

CuInS₂陶瓷靶材通过以下方法制备获得： 

(1)称取一定量的购置的商业CuInS₂粉末（纯度为99.999%，由四川阿波罗太阳能科技有限责任公司提供），放入球磨罐内，加入去离子水，去离子水的用量为CuInS₂粉末总重量的80~100%，混合并球磨； 

(2)再将球磨后的粉料置入真空干燥箱干燥后，真空干燥时的温度为60~100℃，粉料中加入去离子水研磨均匀，去离子水的用量为干燥后CuInS₂粉末的8~12%，混匀得混匀物，将混匀物置于模具中，压制成所需要的陶瓷坯片； 

(3)将陶瓷坯片置入真空管式炉中以200℃/h的升温速率加热至920℃~980℃保温1h~2h进行烧结后，随炉自然降温至室温。制备获得的CuInS₂陶瓷靶材的XRD-θ-2θ测试如图1所示。 

溅射法制备高度取向的CuInS₂外延薄膜的方法的如下：采用C轴取向的蓝宝石作为衬底，将CuInS₂陶瓷靶材依次用丙酮、无水乙醇、去离子水经超声波清洗器清洗10min，工作频率40kHz，将清洗过的CuInS₂靶材和衬底分别放在靶台和样品台上装入真空室，调整靶台与样品台之间的间距为60mm，然后利用脉冲激光沉积设备在衬底生长温度300℃、激光脉冲能量150mJ、脉冲激光频率5Hz、样品台和靶台自转速度分别为10r/min和5r/min、沉积时间30min条件下制备CuInS₂外延薄膜。 

CuInS₂外延薄膜的XRD-θ-2θ测试如图2所示，XRD-rocking curve测试如图3所示，从XRD-θ-2θ测试结果看出所制备的CuInS₂外延薄膜存在（112）晶面高度择优取向，XRD-phi scan如图4所示，图4的XRD-phi scan也表明薄膜为高度取向的外延膜。 

实施例2 

CuInS₂陶瓷靶材的制备方法同实施例1。 

采用C轴取向的蓝宝石作为衬底，将CuInS₂陶瓷靶材依次用丙酮、无水乙醇、去离子水经超声波清洗器清洗10min，工作频率40kHz，将清洗过的CuInS₂靶材和衬底分别放在靶台和样品台上装入真空室，调整靶台与样品台之间的间距为60mm，然后利用脉冲激光沉积设备在衬底生长温度500℃、激光脉冲能量150mJ、脉冲激光频率5Hz、样品台和靶台自转速度分别为10r/min和5r/min、沉积时间30min条件下制备CuInS₂外延薄膜。 

CuInS₂外延薄膜的XRD-θ-2θ测试如图2所示，XRD-rocking curve测试如图3所示，从XRD-θ-2θ测试结果看出所制备的CuInS₂外延薄膜存在（112）晶面高度择优取向， XRD-phi scan如图4所示，图4的XRD-phi scan也表明薄膜为高度取向的外延膜。 

实施例3 

CuInS₂陶瓷靶材的制备方法同实施例1。 

采用C轴取向的蓝宝石作为衬底，讲CuInS₂陶瓷靶材依次用丙酮、无水乙醇、去离子水经超声波清洗器清洗10min，工作频率40kHz，将清洗过的CuInS₂靶材和衬底分别放在靶台和样品台上装入真空室，调整靶台与样品台之间的间距为60mm，然后利用脉冲激光沉积设备在衬底生长温度700℃、激光脉冲能量150mJ、脉冲激光频率5Hz、样品台和靶台自转速度分别为10r/min和5r/min、沉积时间30min条件下制备CuInS₂外延薄膜。 

CuInS₂外延薄膜的XRD-θ-2θ测试如图2所示，XRD-rocking curve测试如图3所示，从XRD-θ-2θ测试结果看出所制备的CuInS2外延薄膜存在（112）晶面高度择优取向，图3的（112）面XRD-rocking curve也显示700℃生长温度时半高宽仅为0.17°，XRD-phiscan如图4所示，图4的XRD-phi scan也表明薄膜为高度取向的外延膜，CuInS₂(112)晶面平行于蓝宝石(0001)晶面，且CuInS2{204}晶面平行于蓝宝石{104}晶面。 

实施例4 

CuInS₂陶瓷靶材的制备方法同实施例1。 

采用C轴取向的蓝宝石作为衬底，将CuInS₂陶瓷靶材依次用丙酮、无水乙醇、去离子水经超声波清洗器清洗10min，工作频率40kHz，将清洗过的CuInS₂靶材和衬底分别放在靶台和样品台上装入真空室，调整靶台与样品台之间的间距为60mm，然后利用脉冲激光沉积设备在衬底生长温度300℃、激光脉冲能量200mJ、脉冲激光频率8Hz、样品台和靶台自转速度分别为12r/min和4r/min、沉积时间60min条件下制备CuInS₂外延薄膜。 

XRD-θ-2θ测试如图2所示，XRD-rocking curve测试如图3所示，XRD-phi scan如图4所示，从XRD-θ-2θ测试结果看出所制备的CuInS₂外延薄膜存在（112）晶面择优取向。 

实施例5 

CuInS₂陶瓷靶材的制备方法同实施例1。 

采用C轴取向的蓝宝石作为衬底，将CuInS₂陶瓷靶材依次用丙酮、无水乙醇、去离子水经超声波清洗器清洗10min，工作频率40kHz，将清洗过的CuInS₂靶材和衬底分别放在靶台和样品台上装入真空室，调整靶台与样品台之间的间距为40mm，然后利用脉冲激光沉积设备在衬底生长温度200℃、激光脉冲能量250mJ、脉冲激光频率10Hz、 样品台和靶台自转速度分别为8r/min和6r/min、沉积时间10min条件下制备CuInS₂外延薄膜。 

XRD-θ-2θ测试如图2所示，XRD-rocking curve测试如图3所示，XRD-phi scan如图4所示，从XRD-θ-2θ测试结果看出所制备的CuInS2外延薄膜存在（112）晶面择优取向。 

上述CuInS₂靶材的制备方法中的各参数如去离子水的用量，球磨后真空干燥处理的温度60~100℃，球墨的转速、球墨的时间、陶瓷坯片烧结时的温度设置及烧结时间等参数在上述实施例1-5的合理范围内进行选取均可，此处不再一一列举，制备获得的CuInS₂靶材均可作为溅射法制备高度取向的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、无水乙醇、去离子水经超声波清洗器清洗10min，工作频率40kHz之外，还可以采用其中的丙酮、无水乙醇、去离子水中的一种或多种超声波清洗。 

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围。