cigs薄膜太陽能電池用mo背電極的制備與結(jié)構(gòu)性能研究

1、CI GS 薄膜太陽能電池用 Mo 背電極的制備與結(jié)構(gòu)性能研究 3趙志明 ,丁 宇 ,曹智睿 ,田亞萍 ,屈直 ,張國君 ,蔣百靈(西安理工大學(xué)材料學(xué)院 ,西安 710048)摘要 利用磁控濺射技術(shù)在 So da2lime 玻璃襯底上沉積 CI GS 薄膜太陽能電池用金屬 Mo 背電極薄膜 ,并研究了 Mo 靶功率 、 基片脈沖寬度以及預(yù)清洗時間對 Mo 薄膜的相結(jié)構(gòu) 、 形貌及電阻率的影響 。結(jié)果表明 ,沉積的 Mo 薄膜均沿

2、(110) 晶面呈柱狀擇優(yōu)生長 ;增大 Mo 靶濺射功率可以促進(jìn)薄膜晶粒長大 、 提高薄膜的致密性 、 降低電阻率 ;合 適的基片脈沖電壓脈寬促進(jìn)了晶核的形成 、 長大并有助于沉積過程中 Mo 晶粒長大 ,進(jìn)而降低薄膜電阻率 ; 通過延長預(yù)清洗時間可獲得致密性好 、 電阻率低的 Mo 薄膜 ,所獲得的 Mo 薄膜最低電阻率為 3 . 5 × 10 - 5Ω · cm 。關(guān)鍵詞 Mo 薄膜 磁控濺射 X

3、RD SEM中圖分類號 : O484 . 1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 : AStudy of Structure and Propert ies of Mo Thin Fil ms Preparedby Magnetron SputteringZ H A O Zhi mi ng , D IN G Yu , CA O Zhi r ui , T IA N Yapi ng , Q U Zhi , Z H

4、A N G Guoj u n , J IA N G Baili ng(Dep art ment of Material s Science and Engineering , Xi’ an U niver sit y of Technolo gy , Xi’ a n 710048)Mo t hin fil ms were depo sited by DC magnet ro n sp ut tering te

5、chnique o nto so da2lime gla ss subst rates Abstractat roo m temp erat ure. The inf l uence of t he depo sitio n p ara meter s o n t he st r uct ure , mo rp holo gy and resi stivit y of t heMo t hin fil

6、 ms ha s been st udied. The st r uct ure a nd elect ric p rop ertie s and mo rp holo gy of Mo t hin fil ms were a nalyzed by XRD , S EM a nd fo ur point p ro bing met ho d , resp ectivel y. A s2gro w

7、n Mo t hin fil ms have p ref er red remar ka bl y alo ngt he (110) o rientatio n a nd sho w n col umna r mo rp holo gy. By va r ying p re2clea ning ti me a nd p ul se widt h duri ng io n clea2ning

8、 , a bo ut 1 μm t hick Mo t hin fil ms have been f a bricated wit h bo t h lo w re si stivit y (3 . 5 × 10 - 5Ω · cm) and goo d adhe2sio n.K ey words Mo t hi n fil ms , magnet ro n sp ut tering

9、 , XRD , S EM性能要求且較 成 熟 的 Mo 薄 膜 沉 積 技 術(shù) 是 “兩 步 氣 壓 沉 積法” [ 7 ] 。即首先在 1 . 33 Pa 的氣壓下濺射沉積與玻璃具有良好結(jié)合力的 0 . 1 μ m 厚的 Mo 層 ,其電阻率約為 6 . 0 × 10 - 5Ω · cm ;然后 , 在 0 . 133 Pa 的 氣 壓 下沉 積 0 . 9 μ m 厚 的 低

10、 電 阻 率 Mo 層 ,電阻率可達(dá)到 1 . 0 × 10 - 5Ω · c m 。在利用磁控濺射技 術(shù)沉積薄膜時 ,采用離子預(yù)清洗基片能有效提高薄膜與襯底 的結(jié)合力 [ 8 ] ,并已在實(shí)際生產(chǎn)中得到驗(yàn)證和應(yīng)用 。因此 ,本實(shí)驗(yàn)將利用磁控濺射技術(shù)采用 “離子預(yù)清洗 + 大功率沉積” 的方法獲得與玻璃襯底結(jié)合優(yōu)良且具有低電阻 率的 Mo 薄膜 ,該方法可在不改變沉積氣壓的條件下在同一 工作室內(nèi)實(shí)現(xiàn)連續(xù)沉積 Mo

11、 薄膜 。同時 ,對所沉積的 Mo 薄 膜的相結(jié)構(gòu) 、 表面和截面形貌以及電阻率進(jìn)行表征分析 。引言金屬 Mo 薄膜材料已在軟 X 射線反射元件 [ 1 ,2 ] 、 大面積 集成電路 [ 3 ,4 ] 以及太陽能電池電極 [ 5 ,6 ] 等諸多領(lǐng)域得到廣泛 應(yīng)用 ,特別是作為 Cu ( In , Ga) Se2 ( CI GS) 薄膜太陽能電池的 背電極材料 。主要原因是 Mo 具有以下特性 : ( 1) 高的熱穩(wěn) 定性 (熔點(diǎn)

12、高達(dá) 2623 ℃ ) 和化學(xué)穩(wěn)定性 ; ( 2) 電阻率為 5 . 2 ×10 - 6Ω · cm ,可滿足太陽能電池電流引出電極的要求 ; ( 3) 可 與 CI GS 吸 收 層 形 成良 好 的 歐 姆 接 觸 ( 其 功 函 數(shù) 約 為 4 . 95eV) ,減少載流子界面復(fù)合 ; (4) 熱膨脹系數(shù) (～4 . 5 × 10 - 6 / K)與

13、CI GS 的熱膨脹系數(shù) (～8 . 0 × 10 - 6 / K) 比較接近 。 由于金屬 Mo 熔點(diǎn)高 ,難以用蒸發(fā)技術(shù)沉積 Mo 薄膜 ,而磁控濺射技術(shù)以沉積速率高 、 薄膜均勻 、 可實(shí)現(xiàn)低溫沉積以 及適合大面積沉積等優(yōu)點(diǎn)為 Mo 膜沉積提供了 可 靠 技 術(shù) 。對于 CI GS 薄膜太陽能電池用金屬 Mo 電極 ,通常要求其與玻璃襯底具有良好的結(jié)合且具有低的電阻率 ,目前達(dá)到上述01 實(shí)驗(yàn)采用 UD

14、P450 磁控濺射設(shè)備沉積金屬 Mo 薄膜 。本實(shí)驗(yàn)選用 純 度 為 99 . 95 %的 金 屬 Mo 作 為 濺 射 靶 材 , 尺 寸 為3 陜西省自然科學(xué)基金 (1012221007) ;陜西省重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)專項(xiàng)資金趙志明 :男 ,1978 年生 ,講師 ,博士 ,主要從事磁控濺射制備功能薄膜的研究 E2mail :zhaozhi ming @xa ut . edu. cn量促進(jìn)晶核的形成和沉積過程中

15、晶粒長大 ; 脈寬繼續(xù)增加 ,轟擊基片的離子流增強(qiáng) , 反濺射效 應(yīng) 明 顯 而 破 壞 了 初 始 晶 核 ,導(dǎo)致 Mo 薄膜生長過程的晶核長大和吞并過程弱化 , 從而使晶粒尺寸減小 。隨著濺射清洗時間的延長 , Mo 薄膜晶 粒尺寸先增加后減小 。這表明延長預(yù)清洗時間有助于初始晶核形成和薄膜的生長 ,但離子預(yù)清洗時間過長會破壞初始晶核 ,減弱 Mo 薄膜中晶粒長大 。2 . 2 Mo 薄膜的表面和截面形貌圖

16、2 為不同靶功率沉積的 Mo 薄膜表面和截面的 S EM照片 。隙明顯 , 存在陰影效應(yīng)引起未完全長大的 Mo 晶柱 , 同時觀察到 Mo 晶柱以沿晶和柱內(nèi)兩種方式斷裂 ,由柱內(nèi)斷裂形貌 可以看出 Mo 薄膜生長過程中存在晶柱合并現(xiàn)象 。圖 3 為預(yù)清洗階段所用基片偏壓脈寬分別為 0 . 8 μs 、 1 . 2μ s 和 1 . 6 μs 時沉積 Mo 薄膜的 S EM 照片 。其中 ,脈寬為1 . 2μ s 時沉積的

17、 Mo 薄膜最致密 ,平均晶粒尺寸最大 ,與 XRD 結(jié) 果一致 。從截面照片可以看出 ,截面斷口存在明顯的柱內(nèi)斷 裂且剩余部分與其它柱狀晶結(jié)合在一起 , 表明由表面 S EM 照片觀察到的晶柱是由若干單個柱狀晶合并而成的 。圖 3 不同基片清洗偏壓脈寬下 2000 W 的Mo 靶功率沉積的 Mo 薄膜 SEM 照片F(xiàn)ig. 3 SEM of the surface and cross section of Mo thin

18、 f il ms under diff erent pul se times圖 4 為不同預(yù)清洗時間下沉積的 Mo 薄膜表面和截面的 S EM 照片 。由圖 4 可知 ,延長離子預(yù)清洗時間 ,薄膜致密程 度增加 ,柱狀晶合并成大晶柱更明顯 。由 Mo 薄膜的截面 S EM 照片可以測得薄膜的厚度 。薄 膜沉積條件對其厚度影響為 : 隨著 Mo 靶功率的增加 , 薄膜厚度由 500 W 功率時 的 292 . 4nm 增

19、大 到 2000 W 功 率 時 的1073 . 4n m ,即 Mo 薄膜的沉積率隨功率的增加而增大 ; 隨著預(yù)清洗階段負(fù)偏壓脈沖寬度增加 , Mo 薄膜厚度由 0 . 8 μs 脈 沖寬度 沉 積 的 1073 . 4 nm 減 小 到 1 . 2 μ s 脈 沖 寬 度 沉 積 的909 . 5 nm ,而后增加到 1 . 6 μs 脈沖寬度沉積的 932 . 5 nm ,表明 在 Mo 原子沉積通

20、量不變的情況下 ,用 1 . 2 μ s 脈沖寬度進(jìn)行 清洗時提高了薄膜的致密性 ;隨著預(yù)清洗時間延長 , Mo 薄膜厚度由 5 mi n 清洗沉積的 1073 . 4 nm 減小至 15 mi n 清洗沉積 的961 . 3 nm ,表明延長清洗時間有助于提高薄膜的致密性 。圖 2Fig. 2不同 Mo 靶功率沉積的 Mo 薄膜的 SEM 照片SEM pictures of Mo thin f il ms under

21、diff erentMo target po w er從圖 2 中可以看出 ,500 W 的 Mo 靶功率沉積的 Mo 薄膜表面為較小的類三角錐形貌 ,且呈無序分布 , 截面照片顯示 薄膜呈柱狀生長 ;1000 W 的 Mo 靶功率沉積的 Mo 薄膜表面 較粗糙 ,薄膜沿垂直玻璃表面方向呈柱狀生長 , 截面斷口主 要呈現(xiàn)沿晶斷裂結(jié)構(gòu)形貌 ,柱狀結(jié)構(gòu)較均勻 ; 對于 1500 W 的 Mo 靶功率下沉積的 Mo 薄膜 ,薄膜表面粗糙