[发明专利]一种光伏材料硫化亚铜（Cu2S）薄膜的制备方法

说明书

技术领域

   本发明涉及一种使用直流磁控溅射技术制备Cu₂S薄膜的方法，属于光电薄膜制备技术领域。

背景技术

能源是社会发展的动力，推动着人类生产力的进步和生活水平的不断提高。目前，世界能源结构中人类主要利用的是化石能源，比如石油、煤炭、天然气。但随着人口的不断增长和工业的快速发展，传统的化石能源日益减少，此外，副产排放物对环境造成的危害问题也日益凸显，化石能源势必要被新的清洁可再生能源取代。可再生能具有无污染可再生等特点，主要包括：太阳能、风能、水能、地热能等，世界上可以利用的水能已经基本殆尽，开发空间变得很小，风能具有间歇性和地域性，限制了其发展，此外，地热能也具有极强的地域性。相比以上几种清洁能源，太阳能资源取之不尽用之不竭，分布广泛，不受地域季节限制，成为理想的清洁能源。

当前主流的太阳能电池材料主要有如下几种：

（1）硅基材料

主要包括分为单晶硅、多晶硅和非晶硅。单晶硅太阳能电池的转换效率无疑是最高的，在大规模应用和工业生产中仍旧占据主导地位，但由于受单晶硅材料价格及相应繁琐的电池工艺影响，致使单晶硅成本居高不下，严重影响了其广泛应用。多晶硅具有低成本、大面积和制备简单的优势，但是，由于晶粒较小等原因，其太阳能光电转换效率依然较低。非晶硅太阳能电池材料与晶体硅相比，效率相对较低，而且光电转换效率在太阳光的长期照射下有一定的衰减，稳定性不高。

（2）化合物半导体材料

化合物半导体材料主要包括砷化镓、硫化镉、碲化镉、铜铟硒、磷化铟等材料。化合物半导体材料大多是直接带隙半导体材料，光吸收系数较高。但是砷化镓由于其生产设备复杂、能耗大、生产周期长，导致生产成本高，难以与硅太阳电池媲美；硫化镉和碲化镉材料中，镉元素有剧毒，会对环境造成严重污染，尽管有较高的电池转换效率，但在应用方面受到了一定的限制；对于铜铟硒材料的薄膜电池，铟与硒都是稀缺元素，价格昂贵，不适合大规模的生产和应用。

太阳能电池结构和种类的变化主要是为了寻求成本更低、稳定性更好、性价比更高的电池。作为廉价稳定的硫化物材料，硫化亚铜具有原料丰富、无毒、成本低的特点，禁带宽度为1.2～1.5 eV，接近太阳光谱，因其电池的理论光电转换效率高达20%而受到广泛关注。

目前制备硫化亚铜薄膜的方法有真空蒸发、喷雾热解、化学浴法、阴极电沉积法、磁控溅射法等。

磁控溅射是制备各种功能涂层的基本技术之一，其基本原理是低真空条件下的冷等离子体辉光放电。由于沉积涂层性能优良，磁控溅射技术目前已在电子半导体等功能性薄膜领域得到广泛应用。相比其他制备方法，磁控溅射法有以下优点：（1）可以通过调节制备工艺参数，如靶材中的成份配比、沉积速率、溅射功率、沉积温度、沉积偏压、溅射时间等，优化薄膜的性能；（2）薄膜与衬底的附着性好。由于溅射原子的能量比蒸发原子的能量高1-2数量级，因此高能粒子沉积在衬底上进行能量交换，产生较高的热能，增强离子和衬底的附着力；（3）磁控溅射镀膜法获得的薄膜的致密性好、纯度高；（4）膜厚可控和重复性好。此外，磁控溅射成膜速率高，可以大面积实现厚度均匀的薄膜，亦可实现产业化规模。

很据溅射电源类型，磁控溅射可以分为直流磁控溅射法和射频磁控溅射法。

相比于射频磁控溅射法，使用直流磁控溅射法制备硫化亚铜薄膜，其工艺设备简单，操作方便，薄膜沉积速率高，而且可以在较低的溅射电压和气压下工作，降低薄膜污染的倾向。

发明内容

本发明的目的在于克服真空蒸发、喷雾热解、化学浴法、阴极电沉积法等其他方法或技术存在的缺陷，提供一种操作方便、薄膜沉积速率高、质量高、重复性好、易实现产业化规模的硫化亚铜薄膜的制备技术。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明一种光伏材料硫化亚铜薄膜的制备方法，其特征在于具有以下过程和步骤：

(a)      基片衬底的清洗：分别采用曲拉通溶液、丙酮、酒精、去离子水清洗1-5次，用氩气气枪吹干后放入干燥箱中备用；基片衬底为石英玻璃或CdS/ITO；

(b)      预溅射准备：将硫化亚铜靶材和清洗干净的基片放入磁控溅射腔体，抽背底真空至10^-4 Pa以下，工作气体为高纯氩气，压强控制在0.3-1.5 Pa，待气压稳定后，预溅射10分钟，调节靶基距为50-90 mm，开始正式溅射；