[發明專利]一種濺射用銅鎵合金靶材及其制備方法

有效

• 申請號: 201210587591.8
• 申請日: 2012-12-28
• 公開（公告）號: CN103225066A
• 公開（公告）日: 2013-07-31
• 發明（設計）人: 張云峰;秦興東;王丹妮;王連蒙;劉延紅;陳東;郭志峰;陳麗杰
• 申請（專利權）人: 中國神華能源股份有限公司
• 主分類號: C23C14/34
• 分類號: C23C14/34;C22C9/00;C22C28/00;C22C30/02;C22C1/02;B22D27/04
• 代理公司: 北京邦信陽專利商標代理有限公司 11012
• 代理人: 王昭林;魯云博

技術領域

本發明屬于半導體技術領域，涉及一種太陽能光伏產業所需的金屬濺射靶材及其制備方法，尤其涉及一種濺射用銅鎵合金靶材及其制備方法。

背景技術

銅銦鎵硒（CuIn_1-xGa_xSe，CIGS）薄膜太陽能電池具有成本低、性能穩定、抗輻射能力強、光譜響應范圍廣等優點。CIGS薄膜太陽能電池是多層化合物和金屬薄膜材料。其中，CIGS吸收層是太陽能電池最關鍵的組成部分，其質量將直接決定電池的性能。CIGS是I-III-VI族四元化合物半導體材料，屬黃銅礦結構。目前制備CIGS的方法很多，但主要有兩種思路：多元分步蒸發和金屬置頂層后硒化。其實現方法主要有蒸鍍法、磁控濺射、分子束外延技術、噴霧熱解及快速凝固技術等。其中磁控濺射方法具有成分可控、原料利用率高、薄膜致密性好、膜厚均勻等優點，是目前最有前景的制備CIGS薄膜的方法。

CIGS吸收層薄膜具有很強的成分和結構敏感性，其性能對整個CIGS薄膜太陽能電池的性能具有很大的影響。濺射制備CIG前驅薄膜，由于銦和鎵都是熔點較低的金屬，無法直接制備出性能穩定、結構均勻的CIG合金靶材，因此在制備CIG前驅薄膜時，同時采用銅鎵合金靶材和銦靶材、或者銅鎵合金靶材和銅銦合金靶材濺射沉積。另外，在濺射的過程中，靶材內部的缺陷會引起電弧放電，影響CIGS吸收層薄膜的結構及質量。

目前的研究成果，如中國專利文獻CN101260513B和CN101333645A在制備過程中采用靜壓成型，最后高溫燒結制備CIGS靶材。此法采用靜壓成型及高溫燒結，會導致晶體內部缺陷出現的幾率增大。在濺射過程中銅、銦、鎵、硒的組分與靶材的相同，成分不能及時可控。中國專利文獻CN100418235C以銅、鎵單質金屬混合，熔煉后澆鑄，同時急冷成型，具有晶粒微細化及高均質化的特性，但此法急冷后未作其他處理，會導致晶體內部缺陷的產生，從而引起濺射過程中電弧放電現象的產生。

為了使銅銦鎵硒薄膜中鎵的配比可控以及減少在濺射過程中引起電弧放電的缺陷，需要制備高質量的銅鎵合金靶材。

發明內容

本發明的目的是提供一種濺射法沉積銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的銅鎵合金靶材及其制備方法，解決銅銦鎵前驅薄膜中鎵的配比問題和濺射過程中由于靶材缺陷導致的電弧放電問題。本發明的銅鎵合金靶材晶粒細小均勻、內部缺陷少，符合濺射法制備高質量銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的要求。

本發明的目的是通過以下方式實現的：

一種濺射用銅鎵合金靶材，其中，銅（Cu）的質量百分比含量為38.0~68.0%，鎵（Ga）的質量百分比含量為32.0~62.0%。

優選地，銅（Cu）的質量百分比含量為45.0~55.0%，鎵（Ga）的質量百分比含量為45.0~55.0%。

一種所述濺射用銅鎵合金靶材的制備方法，包括以下步驟：

（1）配料：將單質金屬銅（Cu）和單質金屬鎵（Ga）按所需配比進行配料，得到原材料；

（2）冶煉：將原材料在真空冶煉爐中冶煉，使原材料完全熔化形成合金液體；然后降溫冷卻并重復上述冶煉過程3~5次；之后將所述合金液體澆注成所需的棒料；

（3）定向凝固：將所述棒料在真空定向凝固爐中采用高頻感應加熱區熔法進行定向凝固，得到具有一定取向的銅鎵合金；

（4）切割：將上述具有一定取向的銅鎵合金沿垂直于所述定向凝固的方向切割成符合濺射靶材所需尺寸的材料；

（5）熱處理：將上述材料磨削清洗后置于真空熱處理爐內，在600~800℃熱處理1~24小時，待所述真空熱處理爐冷至300~500℃再保溫0.5~24小時，然后爐冷或在循環惰性氣體保護下冷卻至室溫，即得到所述濺射用銅鎵合金靶材。

優選地，步驟（2）中，所述在真空冶煉爐中冶煉是先將所述真空冶煉爐抽真空（例如，采用機械泵）至3.0×10^-2~5.0×10^-2Pa，充入氬氣（高純）洗爐，再抽真空（例如，采用機械泵）至3.0×10^-2~5.0×10^-2Pa，然后充入氬氣（高純）至常壓后加熱至850~1200℃或者繼續抽真空（例如，采用分子泵）至3×10^-3~5×10^-3Pa后通電。