【doc】磁控溅射太阳能电池预镀Mo薄膜及其性能

【doc】磁控溅射太阳能电池预镀Mo薄膜及其性能 磁控溅射太阳能电池预镀Mo薄膜及其性能 第32卷第2期 2009年4月 辽宁科技大学 JournalofUniversityofScienceandTechnologyLiaoning V01.32No.2 Apr.,2009 磁控溅射太阳能电池预镀Mo薄膜及其性能 王有欣,孙绍广,单玉桥. (1.辽宁科技大学工程训练中心,辽宁鞍山114051;2.鞍钢技术中心, 辽宁鞍山114009;3.东北大学,辽宁沈阳110006) 摘要:利用磁控溅射法在玻璃基片上进行了太阳能电池预镀层Mo薄膜的制备,研究了氩气分压,溅射功 率,溅射时间等工艺条件对Mo膜性能及厚度的影响,并对Mo膜的物理性能及电学性能进行了研究.结果 表明,Mo薄膜的厚度与溅射时间近似的成正比关系,Mo膜的电阻率先降低,并在膜厚为0.3/an处达到最 低,而后电阻率逐渐增加. 关键词:太阳能电池;磁控溅射;Mo薄膜 中图分类号:TB43文献标识码:A文章编号:1674—1048(2009)02—0122—04 Mo薄膜作为太阳能电池的反射层,其高的热稳定性和机械强度以及良好的电学性能越来越受到 人们的重视.Mo薄膜性能的好坏直接影响到吸收层CIS薄膜的形核,生长以及表面形貌,进而对电池 性能产生重要影响.以Mo薄膜作为背反射层,通过"三源共蒸工艺"制备的小面积CIS薄膜,其试验室 转换效率已达20%左右,是薄膜太阳能电池中最高的【1J.常用的制备Mo薄膜的 方法有射频磁溅射,直 流磁控溅射,离子束溅射,电子束蒸发,化学气相沉积(c?)等.本文采用射频溅射方法制备CIS薄膜 太阳电池反射层Mo薄膜.试验过程中,通过改变沉积时间,沉积功率及调整不同的靶间距等工艺条件 制备Mo薄膜,并研究了不同厚度的Mo薄膜的光学性能和电学性能. 1试验 试验采用多功能真空镀膜机来制备Mo薄膜.载玻片作为衬底,靶材为金属Mo靶,溅射气体为 Ar.靶材与基片间的距离为80rain,当真空室本底真空度达到50mPa时,开始溅射镀膜. 为提高薄膜质量,应注意控制溅射功率和气体分压等条件.目前制备的Mo薄膜厚度在0.6— 0.8m,实践证明,溅射双层Mo的效果比较好,即在高压下溅射大约0.1,然后在低压下溅射0.6 m.其工艺条件如表1所示. 表1磁控溅射制备Mo薄膜的工艺条件 Tab.1TechnicalconditionsofMothinfilmsbymagnetronsputtering Mo基体的质量直接影响膜的附着力和电池的串联电阻,所以制备过程中要保持较高的真空度和 清洁度以提高表面平整度,防止由于氧的掺入而破坏导电性.溅射时间应尽量长一些,以达到一定的厚 度来减少电阻.应当适当提高衬底的温度,以增强Mo薄膜与玻璃衬底的结合力. 收稿日期:2009叭一12. 作者简介:王有欣(1977一),男,辽宁鞍山人. 第2期王有欣,等:磁控溅射太阳能电池预镀Mo薄膜及其性能.123. 2结果与讨论 2.1Mo金属薄膜的XRD分析 图1为Mo薄膜的x射线衍射谱(XRD).由图1可见,利用磁控溅射法制备的Mo 薄膜为体心立 方结构,在(110)面具有择优取向,说明Mo薄膜结晶良好,制备的Mo薄膜可以作为CIS电池的导电 层. 图1Mo薄膜的X射线衍射谱 Fig.1X-raydiffractionspectrumofMothinfilms 2.2Mo薄膜的表面形貌 利用扫描电镜分析观察了Mo金属薄膜表面形貌,由图2可见,磁控溅射制备的Mo薄膜表面平 整,晶粒分布均匀,致密性较好.由于Mo薄膜层对CIS多晶薄膜的成核,生长和晶体结构有着非常重 要的作用,因此,在制备Mo薄膜的过程中应尽可能减少杂质等缺陷的产生. 图2Mo金属薄膜表面形貌 Fig.2SurfacemorphologyofMothinfilms 2.3工艺参数对Mo薄膜性能的影响 2.3.1靶间距对薄膜性能的影响合适的靶间距对于提高成膜质量及薄膜的结合力有较大的影响, 试验表明,当靶间距为8Omill时,薄膜性能最佳.靶间距过大,则分子平均自由程加大,沉积率较低;靶 间距过小,则分子运动速率较高,可造成分子对成膜表面的二次碰撞,薄膜容易脱落. 2.3.2溅射功率对薄膜性能的影响当靶间距,氩气分压一定时,溅射功率大时生长的膜表面更光 滑,晶粒排列更致密.原因是溅射镀膜时体系工作在异常辉光放电区,电流的增大即意味着电压的增 辽宁科技大学第32卷 大,而靶与衬底间距没有变化,因此,电压的增大导致氩离子加速电场的增大,使得溅射原子的动能向高 能端移动,最终增加了溅射原子在膜表面的迁移能力,形成更光滑更致密的膜.但 功率不能太大,否则 易造成薄膜脱落J. 2.3.3溅射时间,沉积速率对薄膜性能的影响从图3中看出,薄膜厚度随着沉积时间的增加逐渐 增加,刚开始时,薄膜的形成接近于线性生长.随着沉积时间的增加,薄膜的厚度在增加的同时,与玻璃 衬底的结合能力也在降低,同时Mo薄膜原子和原子团之间的内应力也相应增加,这会导致薄膜脱 落5l. 时间,t/min 图3Mo薄膜厚度随沉积时间的变化关系 Fig.3Thicknessofthefilmsversusdepositiontime 时间,t/min 图4沉积速率随时间变化的关系 Fig.4Depositionrateofthefilmsversustime 从图4给出的沉积速率随时间的变化关系上可以看出,薄膜在衬底上的生长并不是匀速的.沉积 时间小于30min时,薄膜的沉积速率随着沉积时间增加得较快.Mo薄膜的形成是从靶溅射出来沉积 粒子到达衬底表面后,经过吸附,凝结,表面扩散迁移,碰撞结合形成稳定晶核,然后再通过吸附使晶核 长大成小岛,岛长大后互相联结聚结,最后形成结构上连续的薄膜J. 2.3.4氩气压强对薄膜性能的影响Ar气压强为1.2Pa时,生长的膜遍布着明显的低谷和高峰, 晶粒呈柱状生长,其间隙很大;而压强为0.2Pa时,表面较光滑,晶粒排列得很致密,无明显的间界.原 因是气压强较高时,输运过程中溅射原子平均自由程较小,与气原子的碰撞概率较大,不仅使自 己的平均动能减小而且使速度的水平分量增大,使其填到表面低谷处的概率减小, 平均动能的降低使溅 射原子在膜表面的迁移能力降低,二者都使高气压强条件下的膜更粗糙,晶粒间隙更大. 2.4电学性能分析 由图5可见,随着薄膜厚度的增加,薄膜的电 阻率p先降低后增加,在厚度300nm处电阻率最 低,为6.5×10Q?cm.金属薄膜的电阻率主要 取决于自由电子的密度和结构的完整性.当薄膜 较薄时,其生长方式受衬底表面结构的影响较大, 由于SLG衬底为非晶结构,故薄膜受衬底影响不 易结晶;薄膜较厚时,衬底对薄膜的影响逐渐减 弱,沉积粒子在本身能量足够的情况下开始结晶, 故薄膜结晶较好.但当薄膜厚度进一步增加时 (大于300nm),薄膜中晶粒数量增多,薄膜生长 过程中的结构不完整性(如杂质,空位,晶粒边界, 位错和层错等)反而会进一步增强,对载流子的散图5Mo薄膜的电阻率(p)随不同厚度的变化 Fig.5Resistivity(o}versusthethicknessofMofilms 第2期王有欣,等:磁控溅射太阳能电池预镀Mo薄膜及其性能.125. 射作用也会增强,导致电阻率增加. 3结论 (1)用直流磁控溅射法可以制备出性能良好的Mo薄膜.氩气分压,溅射功率和溅射时间对Mo薄 膜的性能有影响.(2)选择氩气压强为1.2和0.2Pa分别溅射2min和10min,功率为120W及150 w的工艺,可以制备出表面光滑,晶粒大小均匀,表面平整的Mo金属薄膜,膜厚在0.6—0.8tan.(3) Mo金属薄膜具有体心立方结构,在(110)面有择优取向,Mo薄膜性能良好,适合作为CIS薄膜电池的 导电反射层.(4)制备的Mo薄膜的厚度随沉积的时间近于线性增加,但是随着时间 的增加由于Mo薄 膜间产生的内应力较大,薄膜容易导致脱落,适当增加衬底温度有利于结合力的提 高.(5)当薄膜较薄 时,电阻率随厚度的增加而降低,在310nlTl处为最低,此后随薄膜厚度增加电阻率 反而升高. 参考文献: [1]赵永平.晶体硅太阳电池的研究[J].电源信息报,1997,5(7):8—11. [2]GoRDIuG,TRINGE,WILLIAMJ.StructuralandelectricalpropertiesofI3(3sputteredm olybdenumfilms[J].SolarEn— ergyMaterialsandSolarCells,1998,174(51):327—337. [3]黎刚,杨海强,王俊,等.Mo沉积成膜质量与磁控溅射条件间关系的STM研究[J].电子显微,1997,16(4):453, 454. [4]齐红基,易葵,贺洪波,等.溅射粒子能量对金属Mo薄膜表面特性的影响[J].物 理,2004,53(12):4398—4404. [5]朱继国,柴卫平,王华林,等.薄膜厚度对直流脉冲磁控溅射Mo薄膜光电性能的 影响[J].光学仪器,2008,30(3):55— 59. [6]唐伟忠.薄膜材料制备原理,技术及应用[M].北京:冶金工业出版 社,2003:183,184. PropertiesofMofilmsprecursorofsolarcells bymagnetronsputtering WANGYou—xin,SUNShao-guang,SHANYu—qiao (1.EngineeringTrainingCenter,UniversityofScienceandTechnologyLiaoning,Anshan11 4051,China; 2.TechnologyCenterAngan~Steel,Anshan114009,China; 3.NortheasternUniversity,Shenyang110006,China) Abstract:MothinfilmsprecursorofsolarcellsWaSpreparedbymagnetronsputteringonthes oda—lime glass.TheinfluenceofdepositionparameterscorrelatedwithArmass-flowrate,sputteringpowerandsput— teringtimeuponthepropertiesofMothinfilmswasstudied;physicalandelectricalpropertiesofMothin filmswerestudiedaswel1.TheresultsshowthatthethicknessofMofilmsrelatestosputteringpower,Ar mass-flowrate,sputteringtimeandsputteringdistance.Thethicknessisalmostdirectproport ionofsput— teringtimeifArmass-flowrateandsputteringpowerremaindefinite. Keywords:solarcell;magnetronsputtering;molybdenumfilms (ReceivedJanuary12,2009)