[發(fā)明專利]一種銅鎵/銅銦鎵管狀陰極靶材的成型方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210203770.7
• 申請(qǐng)日: 2012-06-20
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102703862A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-10-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馬步洋;緱彥春;王彬
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 江蘇美特林科特殊合金有限公司
• 主分類號(hào): C23C14/14
• 分類號(hào): C23C14/14;C23C14/35;B22D37/00;B22D27/04;B22C9/24
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及冶金領(lǐng)域，具體地說(shuō)是一種銅鎵/銅銦鎵管狀陰極靶的成型方法。

背景技術(shù)

能源、環(huán)境已成為全球面臨的重大問(wèn)題，近年來(lái)各國(guó)投入大量資源全力開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能電池，在眾多的太陽(yáng)能電池中，銅銦鎵硒薄膜光伏電池作為第二代光伏電池，其主要優(yōu)點(diǎn)是制造成本低，而光電轉(zhuǎn)換效率高，且抗輻射能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定等。晶硅太陽(yáng)能電池作為第一代太陽(yáng)能電池，光電轉(zhuǎn)換效率高，但生產(chǎn)其需要大量的高純硅材料，而高純硅的生產(chǎn)過(guò)程需要消耗大量的能源，并造成環(huán)境污染。薄膜太陽(yáng)能電池則消耗的材料少得多，有廣闊的發(fā)展前景。

銅銦鎵硒CuInxGa1-xSe2薄膜太陽(yáng)能電池是薄膜電池中最有發(fā)展?jié)摿Φ碾姵亍Ｋ粌H無(wú)毒，對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染，而且具有更高的轉(zhuǎn)換效率。制備CIGS太陽(yáng)能薄膜電池的方法有很多，其中磁控濺射法是目前應(yīng)用最多的方法之一，具有濺射速率高、濺射材料與基片結(jié)合牢固、薄膜成分控制精準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)。

磁控濺射法是目前制備CIGS薄膜的主要技術(shù)之一，濺射沉積所用的原材料是靶材。不同的靶材得到不同的膜系。高質(zhì)量的薄膜濺射制備取決于靶材的品質(zhì)，其中靶材的純度、致密度、微觀組織結(jié)構(gòu)是重要的質(zhì)量控制點(diǎn)。

目前，制備CIGS太陽(yáng)能薄膜電池的靶材制造商主要集中在美國(guó)、德國(guó)及日本。國(guó)內(nèi)制備CIGS薄膜的靶材的主要制造工藝包括粉末冶金和熔融鑄造。

（1）粉末冶金工藝制備銅銦鎵硒薄膜所需靶材，是將元素粉末或合金粉末按一定配比混合壓制并燒結(jié)成靶材。粉末冶金法的優(yōu)點(diǎn)是靶材成分均勻，合金成分比例可調(diào)，缺點(diǎn)是密度低、雜質(zhì)及氣體含量高、工藝流程長(zhǎng)。常用的粉末冶金工藝包括冷壓燒結(jié)、熱壓和熱等靜壓等。

（2）熔融鑄造是將合金原料按一定成分配比后熔煉，澆注，形成鑄錠。經(jīng)過(guò)冷、熱加工成型到所需坯料，機(jī)加工制成靶材。常用的熔煉方法有感應(yīng)熔煉、電弧熔煉、爐外坩堝熔煉等。熔融法制備的靶材雜質(zhì)含量低，密度高，缺點(diǎn)是對(duì)熔點(diǎn)和密度相差較大的兩種或兩種以上金屬，普通熔煉法難以獲得成分均勻的合金靶材，且制備銅銦鎵硒所需的部分成分的合金難以進(jìn)行后續(xù)的冷、熱加工成型。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種銅鎵/銅銦鎵管狀陰極靶材及其真空熔鑄成型方法，該靶材細(xì)化了晶粒，提高材料的致密性，并克服了高、低熔點(diǎn)物相的偏析問(wèn)題，同時(shí)，底澆注特點(diǎn)改善了銅銦/銅銦鎵合金鑄件的縮孔氣孔等缺陷。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案一種銅鎵/銅銦鎵管狀陰極靶的成型方法流程如下：原料銅塊、銦塊配料裝爐——熔煉，熔煉后期通電烘模——精煉——精煉后期，降溫結(jié)膜，加入鎵，電磁攪拌——底澆注——通水激冷成型——至室溫脫模——機(jī)加工——清洗——真空封裝。

具體過(guò)程包括以下步驟：

1）將銅塊、銦塊置于坩堝中，將鎵置于合金加料倉(cāng)；

2）裝料完成后，關(guān)閉爐門，開(kāi)啟真空泵機(jī)組，當(dāng)爐內(nèi)真空度小于10Pa時(shí)，開(kāi)始加熱，進(jìn)入熔煉期，熔煉期真空度在1Pa以下，熔煉溫度為800℃~1150℃，待料熔化至約占全部料的2/3時(shí)，開(kāi)始通電烘模，烘模溫度為200~400℃，烘模約半小時(shí)左右。

3）熔煉期完成后，進(jìn)入精煉期，精煉溫度為850℃~1200℃,精煉時(shí)間為10?~20min，精煉10~20min后，降溫至720℃~1050℃、結(jié)膜，加入原料鎵，進(jìn)行電磁攪拌3~5min；

4）攪拌完成后進(jìn)行澆注，澆注溫度為820℃~1200℃，采用底澆注，澆注于管狀模具中；

5）澆注完成后進(jìn)行冷卻，冷卻至室溫后出爐，拆卸模具，得到銅鎵/銅銦鎵合金管狀坯料；

6）根據(jù)產(chǎn)品形狀及尺寸要求，對(duì)成型后的管坯機(jī)加工，得到最終尺寸的管狀靶材，對(duì)管狀靶材進(jìn)行超聲波清洗，待干燥后真空封裝，至此，得到能用于光伏材料的銅鎵/銅銦鎵合金管狀陰極靶成品。

所述步驟1）中銅塊和銦塊、鎵的純度均在99.99%以上。

所述步驟1）中配料比例為按重量百分比銅：銦、鎵=50%~90%：10%~50%

所述步驟1）中先在坩堝底部放置銅塊，然后再坩堝中上部放置銦塊，裝料緊密，防止“搭橋”。

所述步驟2）中熔煉期真空度為0.01Pa~1?Pa。

所述成型方法采用的澆注系統(tǒng)包括真空澆注腔室，在真空澆注腔室中設(shè)有底澆注管，在底澆注管的內(nèi)側(cè)設(shè)有冷卻水夾層，在底澆注管的外側(cè)設(shè)有烘模用發(fā)熱體，在冷卻水夾層的底部和上部分別設(shè)有進(jìn)水口和出水口。