以預合金靶進行一次濺鍍方式製作半導體化合物薄膜層方法
2023-09-23 14:37:40 1
專利名稱：以預合金靶進行一次濺鍍方式製作半導體化合物薄膜層方法
技術領域：
本發明系有關一種薄膜層的製造方法，特別是關於一種IB-IIB-IVA形成預合金靶材，利用此預合金靶材，以一次濺鍍方式即可鍍制出具有完整IB-IIB-IVA-VIA元素組成的薄膜製造方法。
背景技術：
由於目前人類的各項活動對能源的需求是不可或缺且與日俱增的，因此如何提供一種長久且安全使用的能源便能為目前最迫切的議題，在各種替代性的能源當中，以太陽能電池研發最為受到矚目。截至目前為止，已商品化之薄膜太陽電池有碲化鎘(CdTe)、銅銦二硒(CIS)/銅銦鎵硒(CIGS)及非晶矽(a-Si)等不同材料，各有其發展之優缺點。其中CIS/CIGS薄膜太陽能電池吸光範圍很廣，雖其製程窗口非常窄造成量產不易，然而其穩定性及光電轉換效率為各類型薄膜太陽電池中最高者，且被認為是短期內最有可能達到矽晶片型太陽電池效能之薄膜太陽電池。近期在追求量產技術發展迅速下，CIGS太陽電池在標準測試條件下，最佳電池之光電轉換效率可達19. 9% (美國國家可再生能源實驗室；NREL)，並且在設備商的積極投入與開發，使傳統真空製程技術(例如濺鍍與蒸鍍)可望加速改善其一直無法有效突破的量產及大面積化問題。因此將有機會帶動此類產品產能之迅速成長，即使CIGS及CIS有接近矽晶片型太陽電池之光能轉換效率及比矽薄膜太陽電池還要低成本之優勢，但(I)高效率太陽電池製程複雜且投資成本只比矽薄膜太陽電池便宜些許；(2)緩衝層材料CdS潛在毒害風險及處理成本；(3)關鍵原料銦元素的供應短缺等問題；以上這些因素是銅銦二硒/銅銦鎵硒等薄膜太陽能電池發展之隱憂。因此發展I-II-IV-VI半導體化合物材料取代I-III-VI太陽電池材料，其具備材料成本低廉及可避免材料短缺問題等優勢，例如銅鋅錫硫與銅鋅錫硒，兩者一般分別表示為CZTS與CZTSe，近幾年已成為半導體裝置被受矚目之研究議題。由於化合物的硫與硒元素可以互相取代，故此類化合物亦可表示為CZTSSe，所以CZTSSe此表示法包含硫與硒所有比例可能之組合。此外，這些裝置依其組成元素族群，亦稱為I-II-IV-VI裝置。
發明內容
本發明的目的，本發明目標為半導體化合物I-II-IV-VI太陽電池，既具有與銅銦二硒(CIS)可比擬的光電學特性，又因不包含地球資源匱乏的貴金屬銦且銅、鋅、錫、硫等元素存量豐富、對環境無汙染且造價低廉，很有希望成為新一代低成本高效率薄膜太陽電池的理想吸收層材料
具體實施例方式本發明系提出一種I-II-IV預合金靶材，並以一次濺鍍方式製備，製造具有I-II-IV-VI元素組成之半導體化合物薄膜的製造方法，而此I-II-IV預合金靶材元素組成為 IB-IIB-IVA ;其中，IB系至少選自於一種以下之群組Cu及Ag;IIB系至少選自於一種以下之群組Zn及Cd;IVA系至少選自於一種以下之群組Si、Ge及Sn ；以下介紹二種製備此半導體化合物薄膜之實施例。實例I、二銅鋅錫四硒(硫)化合物(CZTSe⑶、Cu2ZnSnSe (S)4)薄膜製備將基板升溫至400 575°C，並以一次反應性濺鍍方式沉積，濺鍍功率0. Ikff 2kW、lS氣分壓'2 18mTorr，當派鍍Cu2ZnSn薄膜時，同時利用眾所周知的硒化或硫化反 應，例如通入硒化氫(H2Se)或硫化氫(H2S)氣體直接反應形成Cu2ZnSnSe (S)4半導體化合物薄膜。實例2、二銅鋅錫四硒(硫)化合物(CZTSe⑶，Cu2ZnSnSe (S)4)薄膜製備將基板升溫至400 575°C，一次濺鍍方式沉積，濺鍍功率0. Ikff 2kW、氬氣分壓2 ISmTorr,在濺鍍Cu2ZnSn薄膜後，利用眾所周知的硒化(硫化)處理，將溫度上升至225 575°C通入硒(硫)蒸氣，經5 60分中反應後，形成Cu2ZnSnSe (S) 4半導體化合
物薄膜。綜上所述，本發明的靶材具有完整IB-IIB-IVA元素組成，因此利用此單一預合金靶材，只需經一次濺鍍方式製作具完整IB-IIB-IVA-VIA元素組成的薄膜，可直接應用於太陽電池中，如此大幅地簡化製程與降低製造成本。以上說明，對本發明而言只是說明性的，非限制性的，本領域普通技術人員理解，在不脫離權利要求所限定的精神和範圍的情況下，可作出許多修正、變化或等效，但都將落入本發明的保護範圍之內。
圖I係為本發明結構示意圖。
權利要求
1.本發明主要目的是提供一種以預合金靶材進行一次濺鍍方式，製作半導體化合物薄膜層的製造方法，包含以下步驟；使用含有IB族、IIB族、IVA族等元素所組成之預合金靶材，將此預合金靶材進行濺鍍反應並同時或稍後通入含VIA族元素之氣體，以形成具有IB-IIB-IVA-VIA元素所組成之半導體化合物薄膜。
2.本發明目標為半導體化合物I-II-IV-VI太陽電池，既具有與銅銦二硒(CIS)可比擬的光電學特性，又因不包含地球資源匱乏的貴金屬銦且銅、鋅、錫、硫等元素存量豐富、對環境無汙染且造價低廉，很有希望成為新一代低成本高效率薄膜太陽電池的理想吸收層材料
3.因此，本發明系在針對上述之困擾，提出一種以IB-IIB-IVA形成預合金靶材(預合金將靶材元素選自至少一種以上之元素與靶材其他元素組合形成預合金)，利用此單一預合金靶材製作前驅膜層，避免因多步驟濺鍍時需使用較多的靶材，大幅降低靶材損耗與增加靶材使用率；並以一次濺鍍方式製作薄膜，更可以大幅簡化製程步驟及降低設備成本。
全文摘要
本發明系提出一種以IB-IIB-IVA形成預合金靶材(預合金將靶材元素選自至少一種以上之元素與靶材其他元素組合形成預合金)，利用此單一預合金靶材製作前驅膜層，避免因多步驟濺鍍時需使用較多的靶材，大幅降低靶材損耗與增加靶材使用率；並以一次濺鍍方式製作薄膜，更可以大幅簡化製程步驟及降低設備成本。本發明目標為半導體化合物I-II-IV-VI太陽電池，既具有與銅銦二硒(CIS)可比擬的光電學特性，又因不包含地球資源匱乏的貴金屬銦且銅、鋅、錫、硫等元素存量豐富、對環境無汙染且造價低廉，很有希望成為新一代低成本高效率薄膜太陽電池的理想吸收層材料。
文檔編號C23C14/06GK102931274SQ201110229408
公開日2013年2月13日 申請日期2011年8月11日 優先權日2011年8月11日
發明者陳誼浩, 劉幼海, 劉吉人 申請人:吉富新能源科技(上海)有限公司