銅銦鎵硒靶材的製備方法與流程

2023-12-11 05:04:52 1

本發明涉及一種銅銦鎵硒靶材的製備方法。

背景技術：

學術界和產業界普遍認為太陽能電池的發展已經進入了第三代。第三代太陽能電池就是銅銦鎵硒cigs等化合物薄膜太陽能電池及薄膜si系列太陽能電池。銅銦鎵硒太陽能電池是薄膜太陽能電池中轉換效率最高的電池，具有很好的發展潛力。由於銅銦鎵硒薄膜太陽能電池具有敏感的元素配比和複雜的多層結構，因此，其對製備方法和製備條件的要求極為苛刻，產業化進程十分緩慢。目前，製備銅銦鎵硒薄膜常用的方法是「硒化」的方法。「硒化」的方法主要步驟包括：先把cu-in-ga熔煉成合金，並製備成可以用於濺射的靶材，然後通過濺射工藝，在mo層上形成cu-in-ga薄膜，再將se加熱蒸發成氣體，使se原子沉積在cu-in-ga層上並通過原子擴散與cu-in-ga進行反應生成guinxgax-1se2化合物。上述「硒化」方法的缺點在於：生產周期長、生產效率低；能耗高；se不僅具有劇毒，容易造成安全事故，而且氣態se對其他金屬具有很強的腐蝕性，容易造成洩露se蒸汽；製備的薄膜中，se的分布不均勻等。這種方法製備銅銦鎵硒太陽能電池的成本很高。生產銅銦鎵硒太陽能電池較為理想的方法是一步濺射法，就是將已經製備好的銅銦鎵硒靶材通過一次濺射即可製備出均勻的銅銦鎵硒薄膜。銅銦鎵硒靶材是採用一次濺射法製備銅銦鎵硒薄膜的基礎，而銅銦鎵硒合金又是製備銅銦鎵硒靶材的基礎。目前，工業合成銅銦鎵硒靶材還存在不少問題，比如：生產周期長，產量低，產品不穩定，腐蝕設備等。

技術實現要素：

針對所提到的問題，本發明提供了一種銅銦鎵硒靶材的製備方法，步驟包括：

1)按重量份數比為8～10：23～26：7～9選取銅、銦、鎵原料，破碎成粗粉，混合均勻；

2)將破碎後的粗粉進行氣流磨製，製得粉末，所述粉末粒度為4.5～5.5μm；

3)將氣流磨製後的混合粉末裝入反應釜中，抽真空後向反應釜內充入氬氣，所述氬氣的壓強為0.3～0.5mpa，流量為30～40cc/min；

4)將所述反應釜升溫至300～400℃，保溫1～3h；

5)將所述反應釜升溫至600～800℃，保溫2～4h；

6)將所述反應釜升溫至900～1100℃，保溫3～5h；

7)冷卻所述反應釜至80～100℃，得到銅銦鎵合金；

8)將所述銅銦鎵合金與硒粉分別裝入石英管的兩端，並對石英管進行抽真空操作，真空度達到1×10-1～1×10-4後封閉石英管；

9)採用管式爐對裝有銅銦鎵合金一端加熱至1050～1100℃，並保持溫度；

10)管式爐加熱裝有銅銦鎵合金一端的同時加熱裝有硒粉一端，所述硒粉一端升溫至400～450℃，保溫20～30min，然後加熱至500～550℃，保溫6～9h，然後加熱至800℃，並保持溫度；

11)將裝有銅銦鎵合金一端降溫至800℃，使銅銦鎵與硒在800℃下反應20～30h；

12)關閉管式爐，停止加熱，冷卻至室溫，得到銅銦鎵硒合金錠；

13)將所述銅銦鎵硒合金錠破碎成直徑為1～3mm的合金塊，置於球磨機內以300～500r/min的轉速球磨0.5～1h，再過100目以上篩，獲得銅銦鎵硒粉末；

14)將銅銦鎵硒粉末以一成型機壓制為一胚體，進行胚體加壓，使該胚體實密化；

15)將加壓後的胚體放入脫蠟釜中，脫蠟的方法為以丙烷氣體作為加熱媒介，並與空氣以15：1的比例充分混合、燃燒及轉化後，經過噴嘴通入溫度為650～700℃的快速脫蠟釜內，對胚體進行輻射加熱脫蠟；

16)將脫蠟後的胚體裝入真空熱壓爐中，熱壓爐緩慢升溫至500～700℃，保持3～5h，再升溫至700～800℃，保持2～4h，再緩慢降溫至常溫，製得銅銦鎵硒靶材。

優選方案是：採用氫爆破碎銅、銦、鎵原料。

優選方案是：單質銅、銦、鎵、硒為是純度99.999％的5n銅、5n銦、5n鎵和5n硒。

優選方案是：所述升溫速率為90～100℃/h。

優選方案是：所述反應釜為一體式完全封閉結構。

優選方案是：所述反應釜以角速度0.8度/秒搖擺運動。

本發明的有益效果如下：

1、在完全密閉的空間中反應，避免因洩露而造成的對設備和環境的汙染；

2、反應釜隨加熱爐搖擺運動，使銅銦鎵硒能夠充分反應，得到高精度配比的銅銦鎵硒合金；

3、反應釜內充入的氬氣，降低了爆炸概率和強度；

4、縮短了反應時間，利於工業化生產。

具體實施方式

下面對本發明做進一步的詳細說明，以令本領域技術人員參照說明書文字能夠據以實施。

應當理解，本文所使用的諸如「具有」、「包含」以及「包括」術語並不配出一個或多個其它元件或其組合的存在或添加。

實施例1

本實施例提供了一種銅銦鎵硒靶材的製備方法，步驟包括：

1)按重量份數比為8：23：7選取銅、銦、鎵原料，採用氫爆破碎成粗粉，混合均勻，單質銅、銦、鎵、硒為是純度99.999％的5n銅、5n銦、5n鎵和5n硒；

2)將破碎後的粗粉進行氣流磨製，製得粉末，所述粉末粒度為4.5μm；

3)將氣流磨製後的混合粉末裝入反應釜中，抽真空後向反應釜內充入氬氣，所述氬氣的壓強為0.3mpa，流量為30cc/min，所述反應釜為一體式完全封閉結構，所述反應釜以角速度0.8度/秒搖擺運動；

4)將所述反應釜升溫至300℃，保溫1h；

5)將所述反應釜升溫至600℃，保溫2h；

6)將所述反應釜升溫至900℃，保溫3h；

7)冷卻所述反應釜至80℃，得到銅銦鎵合金；

8)將所述銅銦鎵合金與硒粉分別裝入石英管的兩端，並對石英管進行抽真空操作，真空度達到1×10-1～1×10-4後封閉石英管；

9)採用管式爐對裝有銅銦鎵合金一端加熱至1050℃，升溫速率為90℃/h，並保持溫度；

10)管式爐加熱裝有銅銦鎵合金一端的同時加熱裝有硒粉一端，所述硒粉一端升溫至400℃，保溫20min，然後加熱至500℃，保溫6h，然後加熱至800℃，並保持溫度；

11)將裝有銅銦鎵合金一端降溫至800℃，使銅銦鎵與硒在800℃下反應20h；

12)關閉管式爐，停止加熱，冷卻至室溫，得到銅銦鎵硒合金錠；

13)將所述銅銦鎵硒合金錠破碎成直徑為1mm的合金塊，置於球磨機內以300r/min的轉速球磨0.5h，再過100目以上篩，獲得銅銦鎵硒粉末；

14)將銅銦鎵硒粉末以一成型機壓制為一胚體，進行胚體加壓，使該胚體實密化；

15)將加壓後的胚體放入脫蠟釜中，脫蠟的方法為以丙烷氣體作為加熱媒介，並與空氣以15：1的比例充分混合、燃燒及轉化後，經過噴嘴通入溫度為650℃的快速脫蠟裝釜內，對胚體進行輻射加熱脫蠟；

16)將脫蠟後的胚體裝入真空熱壓爐中，熱壓爐緩慢升溫至500℃，保持3h，再升溫至700℃，保持2h，再緩慢降溫至常溫，製得銅銦鎵硒靶材。

本實施例製備的銅銦鎵旋轉靶材組織緻密，成分均勻，無裂紋，相對密度為97.6％，氧含量≤200ppm。

實施例2

本實施例提供了一種銅銦鎵硒靶材的製備方法，步驟包括：

1)按重量份數比為10：26：9選取銅、銦、鎵原料，採用氫爆破碎成粗粉，混合均勻，單質銅、銦、鎵、硒為是純度99.999％的5n銅、5n銦、5n鎵和5n硒；

2)將破碎後的粗粉進行氣流磨製，製得粉末，所述粉末粒度為5.5μm；

3)將氣流磨製後的混合粉末裝入反應釜中，抽真空後向反應釜內充入氬氣，所述氬氣的壓強為0.5mpa，流量為40cc/min，所述反應釜為一體式完全封閉結構，所述反應釜以角速度0.8度/秒搖擺運動；

4)將所述反應釜升溫至400℃，保溫3h；

5)將所述反應釜升溫至800℃，保溫4h；

6)將所述反應釜升溫至1100℃，保溫5h；

7)冷卻所述反應釜至100℃，得到銅銦鎵合金；

8)將所述銅銦鎵合金與硒粉分別裝入石英管的兩端，並對石英管進行抽真空操作，真空度達到1×10-1～1×10-4後封閉石英管；

9)採用管式爐對裝有銅銦鎵合金一端加熱至1100℃，升溫速率為100℃/h，並保持溫度；

10)管式爐加熱裝有銅銦鎵合金一端的同時加熱裝有硒粉一端，所述硒粉一端升溫至450℃，保溫30min，然後加熱至550℃，保溫9h，然後加熱至800℃，並保持溫度；

11)將裝有銅銦鎵合金一端降溫至800℃，使銅銦鎵與硒在800℃下反應30h；

12)關閉管式爐，停止加熱，冷卻至室溫，得到銅銦鎵硒合金錠；

13)將所述銅銦鎵硒合金錠破碎成直徑為3mm的合金塊，置於球磨機內以500r/min的轉速球磨1h，再過100目以上篩，獲得銅銦鎵硒粉末；

14)將銅銦鎵硒粉末以一成型機壓制為一胚體，進行胚體加壓，使該胚體實密化；

15)將加壓後的胚體放入脫蠟釜中，脫蠟的方法為以丙烷氣體作為加熱媒介，並與空氣以15：1的比例充分混合、燃燒及轉化後，經過噴嘴通入溫度為700℃的快速脫蠟裝置的爐膛內，對胚體進行輻射加熱脫蠟；

16)將脫蠟後的胚體裝入真空熱壓爐中，熱壓爐緩慢升溫至700℃，保持5h，再升溫至800℃，保持4h，再緩慢降溫至常溫，製得銅銦鎵硒靶材。

本實施例製備的銅銦鎵旋轉靶材組織緻密，成分均勻，無裂紋，相對密度為98％，氧含量≤200ppm。

儘管本發明的實施方案已公開如上，但其並不僅僅限於說明書和實施方式中所列運用，它完全可以被適用於各種適合本發明的領域，對於熟悉本領域的人員而言，可容易地實現另外的修改，因此在不背離權利要求及等同範圍所限定的一般概念下，本發明並不限於特定的細節。