專利名稱：利用氧化鋁鋅靶材制備多層薄膜的方法
利用氧化鋁鋅靶材制備多層薄膜的方法技術領域
本發(fā)明是有關于一種制備薄膜的方法，尤指一種利用氧化鋁鋅靶材制備多層薄膜的方法。
背景技術：
講求環(huán)保節(jié)能減碳是現今國際趨勢,其中太陽能電池(solar cell)于白天能透過陽光產生電能，并儲存于蓄電池中，在夜晚或雨天時，也能隨意使用，因此成為最受矚目的綠色能源。太陽能電池種類相當多，例如單晶娃太陽能電池(monocrystalline silicon solar cell)、多晶娃太陽能電池(polycrystalline silicon solar cell)、薄膜太陽能電池(Thin film solar cell)、有機材料太陽能電池(organic solar cell)等。其中， 單晶硅太陽能電池及多晶硅太陽能電池因硅原料高漲所以制作成本提高，對于大面積或建筑使用的太陽能發(fā)電較不適宜；有機材料太陽能電池主要是以染料敏化太陽能電池 (dye-sensitized solar cell, DSSC)以及聚合物(polymers)為主,染料敏化太陽能電池需使用感旋光性材料當作吸光材質，但目前能運用的染料及電解液種類較少、光電轉換效能低且壽命短，故上述的太陽能電池難以大規(guī)模地取代傳統的發(fā)電方式。
此外，另有化合物半導體作為太陽能電池，包含有II1-V族材料的砷化鎵(GaAs)、 I1-VI族的碲化鎘(CdTe)以及1-1I1-V族銅銦鎵硒[Cu (In，Ga) Se2, CIGS]等，其中銅銦鎵硒太陽能電池(CIGS solar cell)和其它材料相比具有較高的光吸收系數(absorption coefficients),因此可制作成僅I至2 μ m的厚度，即能有效的吸收太陽光譜，且該銅銦鎵硒太陽能電池具有較高的光電轉換效能、可制備于不同材質的基板上及低成本等優(yōu)點，故此銅銦鎵硒太陽能電池的應用可相當廣泛。
該銅銦鎵硒太陽能電池由下往上的分層結構，是以玻璃當作基板，接著在玻璃上沉積一層耐高溫且化學穩(wěn)定的鑰金屬(Mo)做為背面電極(接正極)，再經物理氣相沉積 CIGS薄膜并作為吸收層(absorber layer),再使用化學槽沉積方式沉積硫化鎘(CdS)作為緩沖層(buffer layer),接著再以派鍍方法沉積本質氧化鋅(intrinsic ZnO)作為透光層(window layer)以及派鍍法沉積氧化招鋅(AZO)作為導電層(transparent electrode layer),之后再接上金屬電極并與負極相接。
由于目前銅銦鎵硒太陽能電池系利用硫化鎘作為緩沖層，而鎘(Cd)為有毒元素， 會造成環(huán)境污染而不符合環(huán)保能源的目的，故目前有硫化鋅(ZnS)、硒化鋅(ZnSe)、氧化鋅 (ZnO)、氧化鎂(MgO)或硫化銦(In2S3)等材料可作為替代。目前制備銅銦鎵硒太陽能電池的緩沖層、透光層及導電層的過程中，需以三種不同成分的靶材(target)分別于三個反應腔體(reactor chamber)進行派鍍(sputtering)制備,不但成本高且需要較長的周期時間。發(fā)明內容
鑒于目前制備銅銦鎵硒太陽能電池的緩沖層、透光層及導電層需以三種不同成分的靶材分別于三個反應腔體內制備，不但成本高且需要較長的周期時間；是以，本發(fā)明的目的是提供一種可僅用單一靶材且于單一反應腔體內利用氧化鋁鋅靶材制備供應用于太陽能電池的薄膜的方法。
為了達到上述目的，本發(fā)明首先提供一種利用氧化鋁鋅靶材制備多層薄膜的方法，其包括下列步驟
將氧化鋁鋅靶材于氬氣(Ar)及硫化氫(H2S)氣體中濺鍍于一基材上，以生成 ZnCVxSx薄膜，作為緩沖層；再將氧化鋁鋅靶材于氬氣及氧氣(O2)中濺渡于ZnCVxSj^膜上， 以生成高阻值(高阻質)的氧化鋁鋅(ZnO = Al2O3)薄膜，作為透光層；再將氧化鋁鋅靶材直接濺鍍于高阻值的氧化鋁鋅薄膜后，以生成氧化鋁鋅(AZO)薄膜，作為電極導電層。
根據本發(fā)明的具體技術方案，優(yōu)選地，所述的基材包括一基板，以及依序迭置于該基板上的背電極及銅銦鎵硒薄膜，所述緩沖層、透光層以及導電層依序生成于銅銦鎵硒薄膜之上。優(yōu)選地，所述派鍍包含直流派鍍(direct current sputtering, DC sputtering) 或身寸步頁灘鍛(radio frequency sputtering, RF sputtering)等。
根據本發(fā)明的具體技術方案，優(yōu)選地，所述濺鍍以生成各薄膜層是于同一反應腔體中制備。
根據本發(fā)明的具體技術方案，優(yōu)選地，所述生成ZnOhSx薄膜的氬氣與硫化氫氣體的流量比介于5 I至2 1，且該ZnCVxSx薄膜的厚度介于25至100納米(nm)。
根據本發(fā)明的具體技術方案，優(yōu)選地，所述ZnCVxSx薄膜的能隙為2. 8至3. 7電子伏(eV)。
根據本發(fā)明的具體技術方案，優(yōu)選地，所述生成高阻值氧化鋁鋅薄膜的氬氣與氧氣的流量比介于20 I至3 1，且該高阻值氧化鋁鋅薄膜的厚度介于50至150納米(nm)。
根據本發(fā)明的具體技術方案，優(yōu)選地，所述氧化鋁鋅薄膜的厚度介于100至300納米(nm)。
本發(fā)明所提供的制備方法的優(yōu)點在于
1、相較于目前需要三種靶材及三個反應腔體才能制得緩沖層、透光層及電極導電層，本發(fā)明僅需利用一種氧化鋁鋅靶材于同一反應腔體中，于不同氣體濺鍍之下，即可生成不同成分的薄膜以制備緩沖層、透光層及電極導電層，不但可降低成本，也相當節(jié)省時間。
2、緩沖層、透光層及電極導電層的薄膜的能隙及電阻值可依照添加的反應氣體量而改變。
3、由于制法簡單且成本大大降低，故適合大規(guī)模生產。


圖1為本發(fā)明所提供的制備方法的步驟流程圖。
圖2為本發(fā)明的實施例的示意圖。
具體實施方式
本發(fā)明提供的方法可應用于銅銦鎵硒太陽能電池的制作，其可在一反應腔體內， 于基板上依序生成背電極及銅銦鎵硒薄膜后，將氧化鋁鋅靶材于氬氣(Ar)及硫化氫(H2S) 氣體中濺鍍，以生成ZnCVxSx薄膜，作為緩沖層，該緩沖層的能隙為2. 8至3. 7電子伏(eV)， 并可依通入的硫化氫氣體量去調整ZnCVxSx薄膜的傳導度(conductivity),其中IS氣與硫化氫氣體的流量比介于5 :1至2 :1 ;再將氧化鋁鋅靶材于氬氣及氧氣(O2)中濺鍍，其中氬氣與氧氣的流量比介于20 :1至3 : 1，以生成高阻值氧化鋁鋅(ZnO = Al2O3)薄膜，作為透光層；再將氧化鋁鋅靶材直接濺鍍后，以生成氧化鋁鋅薄膜，作為電極導電層。圖1為本發(fā)明所提供的利用氧化鋁鋅靶材制備多層薄膜的方法的步驟流程圖。圖2為具有采用本發(fā)明提供的方法制備的多層薄膜的銅銦鎵硒太陽能電池的示意圖。
本發(fā)明將由下列的實施例作為進一步說明，這些實施例并不限制本發(fā)明前面所揭示的內容。
實施例1 :作為緩沖層的ZnCVxSx薄膜的制備
本實施例中，于反應腔體內放入氧化鋁鋅靶材并通入流量為40sccm的氬氣及流量為IOsccm的硫化氫氣體；射頻濺鍍電密度為1. 5每平方公分瓦(W/cm2)，濺鍍厚度為 500A ;真空壓力為60毫托耳(mTorr);革巴材與基板間隔(T/S spacing)距離為5公分(cm)； 溫度為200°C。
表I緩沖層的ZnCVxSx薄膜工藝參數
工藝參數范圍氬氣流量(sccm)40硫化氫氣體氣流量(sccm)10射頻電密度(W/cm2)1. 5真空壓力(mTorr)60制程溫度Ce)200 沉積厚度(A)500T/S 距離(Cm)5
氧化鋁鋅靶材中的鋁(Al)和硫⑶及氧(O)，如下述反應式⑴至⑶所示，反應后會生成硫化鋁(Al2S3)及氧化鋁(Al2O3),該硫化鋁(Al2S3)及氧化鋁(Al2O3)皆為相當穩(wěn)定的介電材料(dielectric material),并不影響ZnCVxSx薄膜的性質。
(I) Ζπ+Sx+Oh — ZnOhSx
(2) 2A1+3SX — Al2S3
(3)2Α1+30 — Al2O3
由表I的工藝參數濺鍍生成一 ZnCVxSx薄膜，并作為緩沖層，該ZnCVxSx薄膜經 EDX(X射線熒光分析裝置)方法鑒定分析，可知其中氧化鋅硫的比值為O. 8 : O. 2，厚度為50納米(nm)，能隙為2. 89電子伏(eV)。
實施例2 :作為透光層的高阻值氧化鋁鋅(ZnO = Al2O3)薄膜的制備
本實施例中，于反應腔體內放入氧化鋁鋅靶材并通入流量為40sccm的氬氣及流量為IOsccm的氧氣；濺鍍功率密度為2. 5每平方公分瓦(W/cm2)，濺鍍厚度為1000A ;真空壓力為50毫托耳(mTorr);靶材與基板間隔距離為5公分(cm);溫度為200°C。
表2透光層的氧化鋅(1-ZnO)薄膜工藝參數
工藝參數范圍氬氣流量(sccm)40氧氣氣流量(sccm)10射頻電密度(W/cm2)2. 5真空壓力(mTorr)50制程溫度Ce)200沉積厚度(A)1000T/S 距離(Cm)5
氧氣會和氧化鋁鋅靶材，如下述反應式(4)至(5)所示，反應生成氧化鋁，該氧化招為非晶形(amorphous)的介電材料,并不影響高阻值氧化招鋅薄膜的性質。
(4) Ζη+0 — ZnO
(5) 2A1+30 — Al2O3
由表2的工藝參數濺鍍生成一高阻值氧化鋁鋅薄膜，并作為透光層，經EDX (X射線熒光分析裝置)可知，其中該氧化鋅薄膜的厚度為100納米(nm)，能隙為3. 35電子伏(eV)， 穿透率大于90%。
實施例3 :作為電極導電層的氧化鋁鋅(AZO)薄膜的制備
本實施例中，于反應腔體內放入氧化鋁鋅靶材并通入流量為50sccm的氬氣；直流濺鍍的功率密度為2每平方公分瓦(W/cm2)，濺鍍厚度為1500A ;真空壓力為5毫托耳 (mTorr);祀材與基板間隔距離為5公分(cm);溫度為200°C。
表3電極導電層的氧化鋁鋅(AZO)薄膜工藝參數
工藝參數范圍氬氣流量(sccm)50直流電密度(W/cm2)2 真空壓力(mTorr)5制程溫度Ce)200
權利要求
1.一種利用氧化鋁鋅靶材制備多層薄膜的方法，其包含 將氧化鋁鋅靶材于氬氣及硫化氫氣體的反應腔體中濺鍍于一基材上，以生成ZnCVxSx薄膜；再將氧化鋁鋅靶材于氬氣及氧氣中濺鍍于該ZnCVxSx薄膜上，以生成高阻值氧化鋁鋅薄膜；再將氧化鋁鋅靶材于氬氣下直接濺鍍于該高阻值氧化鋅薄膜后，以生成氧化鋁鋅薄膜。
2.如權利要求1所述的利用氧化鋁鋅制備多層薄膜的方法，其中，所述基材包括一基板，以及依序迭置于該基板上的背電極及銅銦鎵硒薄膜，所述的ZnCVxSx薄膜、高阻值氧化鋁鋅薄膜以及氧化鋁鋅薄膜依序生成于銅銦鎵硒薄膜之上。
3.如權利要求1所述的利用氧化鋁鋅制備多層薄膜的方法，其中，所述濺鍍方法包含直流濺鍍或射頻濺鍍。
4.如權利要求1-3任一項所述的利用氧化鋁鋅制備多層薄膜的方法，其中，所述濺鍍以生成各薄膜層是于同一反應腔體中制備。
5.如權利要求1-3任一項所述的利用氧化鋁鋅制備多層薄膜的方法，其中，所述ZnCVxSx薄膜的能隙為2. 8至3. 7電子伏。
6.如權利要求1所述的利用氧化鋁鋅制備多層薄膜的方法，其中，所述ZnCVxSx薄膜的氬氣與硫化氫氣體的流量比為5 :1至2 :1。
7.如權利要求1所述的利用氧化鋁鋅制備多層薄膜的方法，其中，所述高阻值氧化鋁鋅薄膜的氬氣與氧氣的流量比為20 :1至3 :1。
8.如權利要求1所述的利用氧化鋁鋅制備多層薄膜的方法，其中，所述ZnCVxSx薄膜的厚度為25至100納米。
9.如權利要求1所述的利用氧化鋁鋅制備多層薄膜的方法，其中，所述高阻值氧化鋁鋅薄膜的厚度為50至150納米。
10.如權利要求1所述的利用氧化鋁鋅制備多層薄膜的方法，其中，所述氧化鋁鋅薄膜的厚度為100至300納米。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種使用氧化鋁鋅靶材制備多層薄膜的方法，其是將氧化鋁鋅靶材于氬氣及硫化氫氣體中濺鍍于一可供制作太陽能電池的具有銅銦鎵硒層的基材上，以生成ZnO1-xSx薄膜，作為緩沖層；再將氧化鋁鋅靶材于氬氣及氧氣中濺鍍于該緩沖層上，以生成高阻值的氧化鋁鋅薄膜，作為透光層；再將氧化鋁鋅靶材直接濺鍍于透光層上后，以生成氧化鋁鋅薄膜，作為電極導電層。本發(fā)明僅需利用一種氧化鋁鋅靶材于同一反應腔體中，于不同氣體下濺鍍，即可于一太陽能電池的基材上生成不同成分的薄膜作為緩沖層、透光層及導電層，而應用于太陽能電池的制造。
文檔編號H01L31/18GK103021822SQ20111028146
公開日2013年4月3日 申請日期2011年9月21日 優(yōu)先權日2011年9月21日
發(fā)明者楊能輝, 林俊榮 申請人:光洋應用材料科技股份有限公司