无硫化过程磁控溅射制备Cu2ZnSnS4薄膜及其结构和光学性质研究

2014-10-28 杨海刚 河南师范大学物理与电子工程学院

  使用Cu2ZnSnS4(CZTS) 靶材,通过射频磁控溅射方法镀膜,不经后期硫化处理,在钠钙玻璃衬底上沉积了锌黄锡矿结构的CZTS薄膜材料。在薄膜的沉积过程中,衬底温度分别为300, 400 和500℃。利用扫描电子显微镜、X 射线衍射仪、能量色散X 射线光谱仪和紫外-可见-近红外分光光度计等对薄膜样品的微观形貌、晶体结构、元素成分、光学性质等进行了研究。分析讨论了衬底温度对样品的表面形貌、晶体结构、化学成分、光吸收系数和禁带宽度的影响关系。结果表明,在衬底温度为500℃条件下沉积得到的CZTS 薄膜样品,具有较好的锌黄锡矿晶体结构,晶粒大小为23 nm,光吸收系数在可见光范围内高于1 × 104cm-1 ,禁带宽度为1.49 eV。

  Cu2ZnSnS4(CZTS) 四元化合物半导体的禁带宽度为1.5 eV 左右,与单节太阳电池吸收层材料的最佳禁带宽度非常接近,由于具有较高的光吸收系数( 104 cm -1 ) ,由CZTS 作为光吸收层的薄膜太阳电池理论光电转化效率高达32.2%。同时,CZTS包含的元素成分在地壳中含量较丰富,且环境友好没有毒性,因此真空技术网(//crazyaunt.cn/)认为CZTS 薄膜太阳电池具有高效率、低成本、环保等特点,成为了新一代薄膜太阳电池领域的研究热点。

  CZTS 原料和太阳光队系锂锂电组的实验引致了中国国里外实验相关人员的具备广泛性实验,配制的办法涉及电积聚、溶胶-抑菌凝胶、打药热解、磁控溅射、蒸发器等的办法。Todorov等应用物理化学物质合成视频的办法配制的CZTS 太阳光队系锂锂电组的产生率达到了11.1%,Chawla 等应用真空体积聚的办法得出了了产生率达9.3% 的CZTS bopp透明膜太阳光队系锂锂电组。磁控溅射法配制bopp透明膜具备非常易大占地面积产生、施工工艺指标增强、bopp透明膜不均性好等通常优势,更适合于工艺化产生。谈谈溅射法配制CZTS bopp透明膜原料,现有的实验通常有八个前提条件: 一种是第一方面应用锰钢金属靶材或锰钢靶材配制前轮驱动体bopp透明膜原料,以后将前轮驱动体bopp透明膜原料在所含硫金属原子的积极性中塑炼热操作得出了CZTS bopp透明膜原料;第二是应用二元类有机物靶材,如ZnS,SnS 或Cu2S,经过共溅射配制CZTS bopp透明膜原料,为食用是由于二元塑炼物在溅射成胶阶段中的硫折损,也必须要后塑炼操作可以保障硫金属原子的物理化学物质计量检测比;三是简单应用四元类有机物CZTS 靶配制CZTS bopp透明膜原料,与前二种的办法相较,在这种的办法配制的CZTS bopp透明膜原料的不均性和铺布性更加好。尽管,有关于应用CZTS 瓷砖图片制品靶配制CZTSbopp透明膜原料的实验还就不是一大堆。Seol 等在2003 年应用CZTS 瓷砖图片制品靶经过频射磁控溅射完美配制出了CZTS bopp透明膜原料。Inamdar 等2012 年应用过于单一CZTS 瓷砖图片制品靶材经过频射磁控溅射所配制了CZTS半导体器件bopp透明膜原料,其禁服务器带宽度为1. 55 eV。Jun等应用四元类有机物靶材配制了CZTS bopp透明膜原料,并实验了后塑炼对bopp透明膜型式和稳定性的后果。   从近些年的理论实验你看,为了能让能够 三相变频器的锌黄锡矿构造CZTS透明膜和珍珠棉,而言有到后加硫和热治理阶段中 ,这就使CZTS透明膜和珍珠棉原料的配制艺的流程所需二步。本理论实验运转在将成果性好点的锌黄锡矿构造CZTS 纳米粉体原料制作而成的淘瓷靶材,按照一种CZTS 四元类化合物靶材在微波射频溅射技术一步骤积聚能够 了CZTS 透明膜和珍珠棉,在积聚透明膜和珍珠棉阶段中 中在衬底加温的技术,理论实验差异衬底体温对CZTS 透明膜和珍珠棉原料的生物组成、单晶体构造、面上形貌、光吸取常数和禁上行带宽度等性能参数的作用感情。

1、实验

  薄膜样品制备采用射频磁控溅射,所用仪器为JGP-560 型超高真空磁控溅射仪( 中国科学院沈阳科学仪器有限公司) ;使用的CZTS 靶材是由具有锌黄锡矿晶体结构的Cu2ZnSnS4粉体压制而成,其中Cu,Zn,Sn,S 元素摩尔比为2:1:1:4,靶材的尺寸为Φ60 mm × 3 mm;衬底为钠钙玻璃(1 cm× 2 cm) 。溅射气体为Ar 气,本底真空为2 × 10 -4 Pa,靶与衬底的间距为15 cm,溅射气压为0.2 Pa,衬底温度分别为室温、300,400 和500℃,射频溅射功率为70 W,CZTS 薄膜厚度为1500 ± 10 nm。

  运用DX-2000 X 光谱图线衍射( XRD) 智能仪表征bopp胶片的氯化钠晶体的组分;Veeco Dektak 150 外表上轮廊仪量测bopp胶片尺寸;FEI Quanta FEG 250 场使用扫描机电子设备高倍显微镜(SEM) 和能量转换折射率X 光谱图线光谱图(EDS) 仪自测CZTSbopp胶片的外表上微的组分及重元素组分;Shimadzu UV-3600太阳光的紫外线-所以分光光度计分析CZTS bopp胶片的光释放数值和禁上行宽带度等。

3、结论

  这篇文章中用到兼有锌黄锡矿晶胞设备构造的CZTS 靶材,凭借rf射频磁控溅射法,还未硫化橡胶清理,得以了锌黄锡矿设备构造的CZTS 保护膜和珍珠棉板材。在保护膜和珍珠棉的岩浆岩方式中凭借衬底加温的办法,有助于得以晶粒大小性很好、设备构造低密度的大晶粒大小CZTS 保护膜和珍珠棉板材。   实验然而显示,跟随衬底温度表由300℃身高到500℃,CZTS 透气膜的析出性逐渐解决,凝结体长宽比由13 大到23 nm,且禁速率度由1. 56 eV 达到了更类似于佳日头电池充电光释放层的原材料的1. 49 eV,CZTS 透气膜的光释放弹性系数在由此可见光谱范围内内均多于1 × 104 cm - 1。这显示用到锌黄锡矿凝结体结构设计的CZTS 靶材采用磁控溅射方式方法准备的CZTS 透气膜存在很不错的析出度、很好的光学玻璃稳定性和佳的禁速率度。   就算用到的CZTS 靶材含有非常理想型的物理化学计量检验比,在溅射和塑料透气膜出现阶段中也会失去小量的Cu、Zn 和S 风格,会造成CZTS 塑料透气膜土样中风格纯度与CZTS 靶材的风格比列有务必数量的对比,体现了利用磁控溅射步骤要受到非常理想型风格比列的CZTS 塑料透气膜相关材料,在靶材的风格多组分及汽车镀膜加工制作工艺 等领域仍必须 推进进步骤的分析。