物理學

銅含量變化對Cu(In,Ga)Se2薄膜微結構的影響

孫雷，馬建華，姚娘娟，等

摘要：目的：X射線衍射譜（XRD）和拉曼（Raman）光譜都是表征薄膜微結構和結晶性的有效手段。XRD的穿透深度大，可以反映薄膜整體的晶相信息，但由于不同晶相衍射峰之間的重疊，所以 XRD對有序缺陷化合物（OVC）、CuAu相的探測并不靈敏。另一方面，拉曼光譜是無損測量手段，并且對近表面的晶體微結構和結晶質量等信息非常靈敏。高轉換效率CIGS太陽能電池的Cu含量范圍是0.8＜Cu/(Ga＋In)＜0.95。因此，我們通過XRD和拉曼光譜對Cu/(Ga＋In)比例在0.748到0.982之間的CIGS薄膜的微結構演化進行了研究，其結果可望作為一種無損和快速測量方法，用于對 CIGS薄膜晶相和銅含量的初步估計。方法：我們采用磁控濺射后硒化法在鍍有 Mo層的鈉鈣玻璃載玻片（SLG）上生長CIGS薄膜。Cu-In-Ga（CIG）預制層同樣采用直流磁控濺射生長，使用原子比為Cu/Ga＝75/25的CuGa靶和 In靶輪流沉積，形成 CuGa/In/CuGa的三明治結構金屬預制層。隨后，CIG預制層被放入裝有 Se粉的石墨盒中進入硒化爐硒化。CIGS薄膜的組分和厚度采用X熒光光譜儀（XRF）測量。CIGS薄膜的XRD譜使用X射線衍射儀測量，XRD譜中所有衍射峰都是通過比對JCPDS數據來確定所對應的晶相。樣品的Raman光譜通過顯微拉曼光譜儀測量，測量時采用背散射配置。Raman光譜的激發光源使用532 nm波長的激光，光斑直徑小于1 μm，其穿透深度約為100 nm。結果：所有 SLG/Mo/CIGS樣品均使用 XRF測量了CIGS薄膜各元素組分，Cu/(Ga＋In)比例在0.748～0.982之間，CIGS薄膜厚度均在2 μm左右。所有樣品的XRD衍射譜都清楚地顯示了一系列來自于CIGS黃銅礦相（CHCIGS）的衍射峰，這些衍射峰的出現表明了薄膜具有CIGS黃銅礦相。但是，除去這些來自于CH-CIGS相和Mo的衍射峰，衍射譜中觀察不到其他來自于二次相（如OVC相或CuxSe相）的衍射峰，衍射峰的半高寬（full width at half maximum, FWHM）隨銅含量的變化也無法觀察到。我們進一步對所有CIGS薄膜樣品的拉曼光譜進行了測量，以研究Cu含量與CIGS薄膜晶相構成之間的關系。拉曼光譜分析呈現了當 Cu含量從低增加到高時，CIGS薄膜依次經歷了3個相域：OVC與CH-CIGS共存的二元相、單CH-CIGS相、CuxSe和CH-CIGS共存的二元相。所以，我們可以通過 CIGS薄膜的拉曼光譜形狀大致估計其Cu含量的范圍。我們用Lorentzian函數對所有樣品的拉曼光譜進行了擬合，得到了拉曼衍射峰的位置以及半高寬（FWHM）。各樣品相同拉曼峰的位置并沒有明顯改變，但拉曼峰的 FWHM 卻呈現出與Cu/(Ga＋In)比例的經驗關系公式。結論：在CIGS太陽能電池的制備過程中，在CIGS吸收層沉積完成后馬上對其性能進行評估是很有意義的。拉曼光譜能比SEM和XRD更加靈敏地探測晶相成分和結晶質量。CIGS薄膜的拉曼光譜分析和拉曼峰半高寬與銅含量的經驗關系公式可望作為一種無損和快速測量方法，用于對CIGS薄膜晶相和銅含量的初步估計。

來源出版物：紅外與毫米波學報, 2017, 36(1): 1-6

入選年份：2017