物理學

銅含量變化對Cu(In,Ga)Se2薄膜微結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)和結(jié)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(jié)構(gòu)和結(jié)晶質(zhì)量等信息非常靈敏。高轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)演化進行了研究，其結(jié)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(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)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(fā)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(jié)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(xiàn)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(gòu)成之間的關系。拉曼光譜分析呈現(xiàn)了當 Cu含量從低增加到高時，CIGS薄膜依次經(jīng)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(shù)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(xiàn)出與Cu/(Ga＋In)比例的經(jīng)驗關系公式。結(jié)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(jié)晶質(zhì)量。CIGS薄膜的拉曼光譜分析和拉曼峰半高寬與銅含量的經(jīng)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