一种绑定单靶溅射制备Cu3SnS4吸收层的方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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

【技术实现步骤摘要】
一种绑定单靶溅射制备Cu3SnS4吸收层的方法
本专利技术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

技术介绍
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.StatusSolidiC7,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。ThinSolidFilms,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。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，提供一种绑定单靶溅射制备Cu3SnS4吸收层的方法，本专利技术方法将将铜靶和三元铜锡硫单靶通过铟焊接，解决了化合物靶材由于导电性不好，在溅射时容易形成电荷积累，造成靶材放电和开裂的问题，本专利技术方法在增加靶材溅射稳定性的同时，也利于靶材的更换，延长了靶材的使用寿命，适用于工业化大规模生产；本专利技术方法与共溅射和顺序溅射制备该吸收层薄膜相比较，靶材数量减少，具有更好的可控性，大幅减少耗能。一种绑定单靶溅射制备Cu3SnS4吸收层的方法，具体步骤为：（1）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；其中绑定纯铜靶的三元铜锡硫靶材为三元铜锡硫靶材通过铟料焊接绑定在纯铜靶材上，绑定纯铜靶的三元铜锡硫靶材中铜、锡和硫的摩尔比为3:1:4；（2）调节溅射镀膜仪参数：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25~30sccm；（3）预溅射除去靶材表面杂质；（4）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；（5）在氮气氛围下，将步骤（4）的铜锡硫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；进一步地，所述步骤（1）衬底为钠钙玻璃衬底，三元铜锡硫靶材的纯度不小于99.99%，纯铜靶材的纯度不小于99.99%；进一步地，所述步骤（2）工艺气体为氩气，氩气的纯度不小于99.999%；进一步地，所述步骤（5）氮气的纯度不小于99.999%；进一步地，所述步骤（5）中硫化退火处理的方法为将覆有铜锡硫（Cu3SnS4）前驱体层薄膜的衬底置于装有过量固态硫粉的石英坩埚中，然后送入管式退火炉，将炉内气压抽至30~60mTorr，通入氮气至气压为40~50Torr，在升温速率为10~15℃/min的条件下加热至温度为500~600℃并保温30~40min，自然冷却至室温；进一步地，所述衬底预处理的方法为将衬底依次用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗，清洗完的衬底使用氮气吹干，放于装有无水乙醇的衬底架上备用，使用时，用氮气将衬底吹干；本专利技术的有益效果：（1）本专利技术方法采用直流靶电源，以经过铜靶绑定标准化学计量比的三元铜锡硫单靶溅射获取前驱体层薄膜，再对前驱体层薄膜进行硫化退火热处理工艺，得到Cu3SnS4吸收层，本专利技术方法溅射速度快、薄膜厚度可控、生产原料无毒、所得薄膜结晶度高，晶粒和成分均匀，很适合作为薄膜太阳能电池吸收层；（2）本专利技术方法通过铜靶绑定标准化学计量比的三元铜锡硫单靶进行溅射，克服了化合物靶材由于导电性不好，在溅射时容易形成电荷积累，从而造成靶材放电和开裂的问题，本专利技术方法不仅增加了靶材溅射的稳定性，也利于靶材的更换，延长了靶材的使用寿命，适用于工业化大规模生产；（3）本专利技术方法与共溅射和顺序溅射制备该吸收层薄膜相比较，靶材数量减少，具有更好的可控性，大幅减少耗能。附图说明图1为实施例1制备的CTS吸收层的XRD衍射图；图2为实施例2制备的CTS吸收层的XRD衍射图；图3为实施例2制备的CTS吸收层的SEM图；图4为实施例2制备的CTS吸收层紫外-可见-近红外吸收图谱；图5为实施例3制备的CTS吸收层的XRD衍射图。具体实施方式下面结合具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明，但本专利技术的保护范围并不限于所述内容。实施例1：一种绑定单靶溅射制备Cu3SnS4吸收层的方法，具体步骤为：（1）衬底预处理：将钠钙玻璃衬底依次用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗，清洗完的衬底使用氮气吹干，放于装有无水乙醇的衬底架上备用，使用时，用氮气将衬底吹干；（2）将步骤（1）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80mm；其中绑定纯铜靶的三元铜锡硫靶材为三元铜锡硫靶材通过铟料焊接绑定在纯铜靶材上，绑定纯铜靶的三元铜锡硫靶材中铜、锡和硫的摩尔比为3:1:4；（3）调节溅射镀膜仪参数：将溅射室内本底真空度抽至2.0×10-4Pa，设定工作真空度为0.45Pa，衬底温度为320℃、样品旋转速度为10r/min，工艺气体（氩气）的流量为20sccm；（4）预溅射除去靶材表面杂质；然后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，其中溅射功率为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种绑定单靶溅射制备Cu3SnS4吸收层的方法，其特征在于，具体步骤为：（1）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；其中绑定纯铜靶的三元铜锡硫靶材为三元铜锡硫靶材通过铟料焊接绑定在纯铜靶材上，绑定纯铜靶的三元铜锡硫靶材中铜、锡和硫的摩尔比为3:1:4；（2）调节溅射镀膜仪参数：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25~30sccm；（3）预溅射除去靶材表面杂质；（4）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；（5）在氮气氛围下，将步骤（4）的铜锡硫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。

【技术特征摘要】
1.一种绑定单靶溅射制备Cu3SnS4吸收层的方法，其特征在于，具体步骤为：（1）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；其中绑定纯铜靶的三元铜锡硫靶材为三元铜锡硫靶材通过铟料焊接绑定在纯铜靶材上，绑定纯铜靶的三元铜锡硫靶材中铜、锡和硫的摩尔比为3:1:4；（2）调节溅射镀膜仪参数：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25~30sccm；（3）预溅射除去靶材表面杂质；（4）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；（5）在氮气氛围下，将步骤（4）的铜锡硫Cu3SnS4前驱体层薄...

【专利技术属性】
技术研发人员：韦雷凯，沈韬，朱艳，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南,53