物理学

铜含量变化对Cu(In,Ga)Se2薄膜微结构的影响

孙雷，马建华，姚娘娟，等

摘要：目的：X射线衍射谱（XRD）和拉曼（Raman）光谱都是表征薄膜微结构和结晶性的有效手段。XRD的穿透深度大，可以反映薄膜整体的晶相信息，但由于不同晶相衍射峰之间的重叠，所以 XRD对有序缺陷化合物（OVC）、CuAu相的探测并不灵敏。另一方面，拉曼光谱是无损测量手段，并且对近表面的晶体微结构和结晶质量等信息非常灵敏。高转换效率CIGS太阳能电池的Cu含量范围是0.8＜Cu/(Ga＋In)＜0.95。因此，我们通过XRD和拉曼光谱对Cu/(Ga＋In)比例在0.748到0.982之间的CIGS薄膜的微结构演化进行了研究，其结果可望作为一种无损和快速测量方法，用于对 CIGS薄膜晶相和铜含量的初步估计。方法：我们采用磁控溅射后硒化法在镀有 Mo层的钠钙玻璃载玻片（SLG）上生长CIGS薄膜。Cu-In-Ga（CIG）预制层同样采用直流磁控溅射生长，使用原子比为Cu/Ga＝75/25的CuGa靶和 In靶轮流沉积，形成 CuGa/In/CuGa的三明治结构金属预制层。随后，CIG预制层被放入装有 Se粉的石墨盒中进入硒化炉硒化。CIGS薄膜的组分和厚度采用X荧光光谱仪（XRF）测量。CIGS薄膜的XRD谱使用X射线衍射仪测量，XRD谱中所有衍射峰都是通过比对JCPDS数据来确定所对应的晶相。样品的Raman光谱通过显微拉曼光谱仪测量，测量时采用背散射配置。Raman光谱的激发光源使用532 nm波长的激光，光斑直径小于1 μm，其穿透深度约为100 nm。结果：所有 SLG/Mo/CIGS样品均使用 XRF测量了CIGS薄膜各元素组分，Cu/(Ga＋In)比例在0.748～0.982之间，CIGS薄膜厚度均在2 μm左右。所有样品的XRD衍射谱都清楚地显示了一系列来自于CIGS黄铜矿相（CHCIGS）的衍射峰，这些衍射峰的出现表明了薄膜具有CIGS黄铜矿相。但是，除去这些来自于CH-CIGS相和Mo的衍射峰，衍射谱中观察不到其他来自于二次相（如OVC相或CuxSe相）的衍射峰，衍射峰的半高宽（full width at half maximum, FWHM）随铜含量的变化也无法观察到。我们进一步对所有CIGS薄膜样品的拉曼光谱进行了测量，以研究Cu含量与CIGS薄膜晶相构成之间的关系。拉曼光谱分析呈现了当 Cu含量从低增加到高时，CIGS薄膜依次经历了3个相域：OVC与CH-CIGS共存的二元相、单CH-CIGS相、CuxSe和CH-CIGS共存的二元相。所以，我们可以通过 CIGS薄膜的拉曼光谱形状大致估计其Cu含量的范围。我们用Lorentzian函数对所有样品的拉曼光谱进行了拟合，得到了拉曼衍射峰的位置以及半高宽（FWHM）。各样品相同拉曼峰的位置并没有明显改变，但拉曼峰的 FWHM 却呈现出与Cu/(Ga＋In)比例的经验关系公式。结论：在CIGS太阳能电池的制备过程中，在CIGS吸收层沉积完成后马上对其性能进行评估是很有意义的。拉曼光谱能比SEM和XRD更加灵敏地探测晶相成分和结晶质量。CIGS薄膜的拉曼光谱分析和拉曼峰半高宽与铜含量的经验关系公式可望作为一种无损和快速测量方法，用于对CIGS薄膜晶相和铜含量的初步估计。

来源出版物：红外与毫米波学报, 2017, 36(1): 1-6

入选年份：2017