一种纯相透明氧化亚铜薄膜的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种纯相透明氧化亚铜薄膜的制备方法，其步骤包括清洗衬底；制备含铜氧化亚铜薄膜；含铜氧化亚铜薄膜进行后处理获得纯相氧化亚铜薄膜。本发明先采用常规的直流反应磁控溅射技术，在特定的氩氧气氛下制备出含金属铜的氧化亚铜薄膜，然后再一定的气氛条件下进行退火后处理工艺，通过严格控制后处理的温度和时间得到纯相氧化亚铜薄膜。本发明的纯相透明氧化亚铜薄膜的制备方法通过直流反应磁控溅射和后处理工艺的结合，即实现氧化亚铜的高速沉积，又获得纯相氧化亚铜薄膜材料。
【专利说明】
一种纯相透明氧化亚铜薄膜的制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种纯相透明氧化亚铜薄膜的制备方法，属于太阳能电池领域。
【背景技术】
[0002]太阳能电池是一种基于半导体pn结吸收太阳光转变成电能的光伏器件，其太阳光吸收层材料主要包括晶体硅和化合物薄膜如碲化镉、铜铟镓砸、氧化亚铜等。
[0003]氧化亚铜(Cu2O)是一种性能优异的直接带隙半导体材料，它的能带带隙大小为
2.1eV(对应波长为590nm)，可见光吸收系数高，再加上它具有无毒、低价、原料丰富等优点，是光电转换与利用研究领域的重要材料。理论计算显示基于Cu2O的太阳能电池效率极限可达20%，特别是通过掺杂引入合适的中间带(intermediate band)后，基于氧化亚铜吸收层的太阳电池光电转换效率的理论极限可进一步提高到60%。另外，Cu2O具有光催化活性，早在上个世纪就有直接利用氧化亚铜进行可见光催化水的裂解产生氢气。
[0004]直流磁控溅射技术作为一种高速沉积的薄膜制备方法，制备出来的薄膜样品致密度高、沉积速度快，薄膜性能稳定，工艺参数可控性高，适合于工业化生产。在直流反应磁控溅射制备氧化亚铜薄膜的过程中，由于采用的是金属铜靶和氩氧混合气反应，生成的氧化亚铜薄膜中总是伴随金属铜的二次相，从而降低氧化亚铜薄膜的光电性能。
【发明内容】
[0005]针对现有技术中纯相氧化亚铜薄膜的制备方法存在的上述问题，本发明提供一种纯相透明氧化亚铜薄膜的制备方法，本发明通过有效的后处理工艺，将氧化亚铜薄膜中的铜转化成氧化亚铜，从而获得单相氧化亚铜薄膜，解决了直流反应磁控溅射不能制备纯相氧化亚铜薄膜的问题。
[0006]本发明的技术方案如下:
[0007]—种纯相透明氧化亚铜薄膜的制备方法，包括如下步骤:
[0008]步骤1:清洗衬底；
[0009]步骤2:制备含铜氧化亚铜薄膜；
[0010]步骤3:含铜氧化亚铜薄膜进行后处理获得纯相氧化亚铜薄膜。
[0011 ] 进一步，所述步骤I包括如下步骤:
[0012]步骤1-1:切割石英玻璃；
[0013]步骤1-2:将切割好的石英玻璃在玻璃清洗剂中浸泡；
[0014]步骤1-3:经玻璃清洗剂浸泡后的石英玻璃使用纯水超声清洗；
[0015]步骤1-4:将纯水超声清洗后的石英玻璃用高纯氮气吹干，然后放入真空腔内。
[0016]进一步，所述步骤2包括如下步骤:
[0017]步骤2-1:腔体抽真空，使得背景真空达到IX 10—4Pa;
[0018]步骤2-2:在IX 10—4Pa的真空下，石英玻璃衬底加热，温度为室温?350°C;
[0019]步骤2-3:通入高纯氩气，对金属铜靶进行直流磁控溅射，以去除靶材表面的氧化物；
[0020]步骤2-4:通入氩气和氧气两种气体，氩气流量范围5?20sccm，氧气流量范围O?3sccm，通入混合气体后使得腔体真空度维持在0.3?1Pa;
[0021]步骤2-5:在氩氧混合气氛下，使用预溅射处理的金属铜靶在石英玻璃衬底上进行直流反应磁控溅射，沉积含铜氧化亚铜薄膜。
[0022]进一步，所述步骤3包括如下步骤:
[0023]步骤3-1:使用分子栗将真空腔的真空度抽到IX 10—4Pa;
[0024]步骤3-2:将含铜氧化亚铜样品加热到250?350°C ；
[0025]步骤3-3:真空腔内通入高纯氩气和氧气混合气，使得真空腔的气压范围0.3Pa?lOOPa，其中氩气浓度0%?95%，氧气浓度5%?100% ；
[0026]步骤3-4:含铜氧化亚铜样品在气压范围0.3Pa?10Pa的氩氧混合气下，250?350°C温度范围内保温0.5h?I Oh;
[0027]步骤3-5:样品停止加热降温，使用分子栗将腔体真空抽到IX 10—4Pa;
[0028]步骤3-6:真空腔内冲入高纯氮气达到大气压后，取出样品。
[0029]进一步，直流磁控溅射过程中的参数为:
[0030]靶材功率密度2?10W/cm2，氩氧混合气，工艺真空度0.3?10?&，衬底温度室温?350 °C，沉积时间I?30min，薄膜厚度为50?2000nm。
[0031]本发明的有益效果如下:
[0032]通过直流反应磁控溅射和后处理工艺的结合，即实现氧化亚铜的高速沉积，又获得纯相氧化亚铜薄膜材料。
【附图说明】
[0033]图1是含铜氧化亚铜和纯相氧化亚铜的XRD对比图。
【具体实施方式】
[0034]下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
[0035]本发明先采用常规的直流反应磁控溅射技术，在特定的氩氧气氛下制备出含金属铜的氧化亚铜薄膜，然后在一定的气氛条件下进行退火后处理工艺，通过严格控制后处理的温度和时间得到纯相氧化亚铜薄膜。具体实施例如下:
[0036]实施例一
[0037]第一步:衬底清洗工艺:
[0038]1、将石英玻璃切割成2 X 2cm2大小；
[0039]2、将切割好的石英玻璃在玻璃清洗剂中浸泡24小时；
[0040]3、经玻璃清洗剂浸泡后的石英玻璃使用15兆欧纯水超声清洗3遍；
[0041]4、将纯水超声清洗后的石英玻璃用高纯氮气吹干，然后放入真空腔内。
[0042]第二步:制备含铜氧化亚铜薄膜:
[0043]1、腔体抽真空，使得背景真空达到I X 10—4Pa;
[0044]2、在I X 10—4Pa的真空下，石英玻璃衬底为室温；
[0045]3、通入高纯氩气，对金属铜靶进行直流磁控溅射5分钟，以去除靶材表面的氧化物；
[0046]4、通入氩气，氩气流量5sCCm，使得腔体真空度维持在0.3Pa;
[0047]5、在氩气氛下，使用预溅射处理的金属铜靶在石英玻璃衬底上进行直流反应磁控溅射，沉积含铜氧化亚铜薄膜。
[0048]直流反应磁控溅射的工艺参数为:
[0049]靶材功率密度2W/cm2，氩气，工艺真空度0.3Pa，衬底温度室温，沉积时间30min，薄膜厚度为300nmo
[0050]通过上述条件制备出来的样品经XRD测试表明为含金属铜的氧化亚铜结构。
[0051 ] 第三步:含铜氧化亚铜薄膜进行后处理获得纯相氧化亚铜薄膜:
[0052]1、使用分子栗将真空腔的真空度抽到I X 10—4Pa;
[0053]2、将含铜氧化亚铜样品加热到250°C ；
[0054]3、真空腔内通入高纯氩气和氧气混合气，使得真空腔的气压为lOOPa，其中氩气浓度5%，氧气浓度95%;
[0055 ] 4、含铜氧化亚铜样品在I OOPa的氩氧混合气下，250 °C保温I Oh;
[0056]5、样品停止加热降温，使用分子栗将腔体真空抽到I X 10—4Pa;
[0057]6、真空腔内冲入高纯氮气达到大气压后，取出样品。此时的薄膜颜色为透明的黄色。
[0058]实施例二
[0059]第一步:衬底清洗工艺:
[0060]1、将石英玻璃切割成2 X 2cm2大小；
[0061 ] 2、将切割好的石英玻璃在玻璃清洗剂中浸泡24小时；
[0062]3、经玻璃清洗剂浸泡后的石英玻璃使用15兆欧纯水超声清洗3遍；
[0063]4、将纯水超声清洗后的石英玻璃用高纯氮气吹干，然后放入真空腔内。
[0064]第二步:制备含铜氧化亚铜薄膜:
[0065]1、腔体抽真空，使得背景真空达到I X 10—4Pa;
[0066]2、在I X 10—4Pa的真空下，石英玻璃衬底加热，温度为200°C ;
[0067]3、通入高纯氩气，对金属铜靶进行直流磁控溅射5分钟，以去除靶材表面的氧化物；
[0068]4、通入氩气和氧气两种气体，氩气流量范围1sccm，氧气流量范围1.5sccm，通入混合气体后使得腔体真空度维持在3Pa ；
[0069]5、在氩氧混合气氛下，使用预溅射处理的金属铜靶在石英玻璃衬底上进行直流反应磁控溅射，沉积含铜氧化亚铜薄膜。
[0070]直流反应磁控溅射的工艺参数为:
[0071]靶材功率密度5W/cm2，氩氧混合气，工艺真空度3Pa，衬底温度室200°C，沉积时间20min，薄膜厚度为lOOOnm。
[0072]通过上述条件制备出来的样品经XRD测试表明为含金属铜的氧化亚铜结构。
[0073]第三步:含铜氧化亚铜薄膜进行后处理获得纯相氧化亚铜薄膜:
[0074]1、使用分子栗将真空腔的真空度抽到I X 10—4Pa;
[0075]2、将含铜氧化亚铜样品加热到300Γ ;
[0076]3、真空腔内通入高纯氩气和氧气混合气，使得真空腔的气压范围30Pa，其中氩气浓度80%，氧气浓度20%;
[0077]4、含铜氧化亚铜样品在气压范围30Pa的氩氧混合气下，300°C保温3h;
[0078]5、样品停止加热降温，使用分子栗将腔体真空抽到I X 10—4Pa;
[0079]6、真空腔内冲入高纯氮气达到大气压后，取出样品。此时的薄膜颜色为透明的黄色。
[0080]实施例三
[0081 ]第一步:衬底清洗工艺:
[0082]1、将石英玻璃切割成2 X 2cm2大小；
[0083]2、将切割好的石英玻璃在玻璃清洗剂中浸泡24小时；
[0084]3、经玻璃清洗剂浸泡后的石英玻璃使用15兆欧纯水超声清洗3遍；
[0085]4、将纯水超声清洗后的石英玻璃用高纯氮气吹干，然后放入真空腔内。
[0086]第二步:制备含铜氧化亚铜薄膜:
[0087]1、腔体抽真空，使得背景真空达到I X 10—4Pa;
[0088]2、在I X 10—4Pa的真空下，石英玻璃衬底加热，温度为350°C ；
[0089]3、通入高纯氩气，对金属铜靶进行直流磁控溅射5分钟，以去除靶材表面的氧化物；
[0090]4、通入氩气和氧气两种气体，氩气流量20sCCm，氧气流量3sCCm，通入混合气体后使得腔体真空度维持在1Pa;
[0091]5、在氩氧混合气氛下，使用预溅射处理的金属铜靶在石英玻璃衬底上进行直流反应磁控溅射，沉积含铜氧化亚铜薄膜。
[0092]直流反应磁控溅射的工艺参数为:
[0093]靶材功率密度lOW/cm2，氩氧混合气，工艺真空度1Pa，衬底温度350°C，沉积时间15min，薄膜厚度为3000nm。
[0094]通过上述条件制备出来的样品经XRD测试表明为含金属铜的氧化亚铜结构，显示在图1中。
[0095]第三步:含铜氧化亚铜薄膜进行后处理获得纯相氧化亚铜薄膜:
[0096]1、使用分子栗将真空腔的真空度抽到I X 10—4Pa;
[0097]2、将含铜氧化亚铜样品加热到350°C ；
[0098]3、真空腔内通入高纯氩气和氧气混合气，使得真空腔的气压为lOOPa，其中氩气浓度95%，氧气浓度5%;
[0099]4、含铜氧化亚铜样品在气压范围10Pa的氩氧混合气下，350°C保温0.5h;
[0100]5、样品停止加热降温，使用分子栗将腔体真空抽到I X 10—4Pa;
[0101]6、真空腔内冲入高纯氮气达到大气压后，取出样品。此时的薄膜颜色为透明的黄色。
[0102]退火后的样品经XRD测试表明为纯相氧化亚铜结构，显示在图1中
[0103]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种纯相透明氧化亚铜薄膜的制备方法，包括如下步骤: 步骤1:清洗衬底； 步骤2:制备含铜氧化亚铜薄膜； 步骤3:含铜氧化亚铜薄膜进行后处理获得纯相氧化亚铜薄膜。2.根据权利要求1所述的一种纯相透明氧化亚铜薄膜的制备方法，其特征在于:所述步骤I包括如下步骤: 步骤1-1:切割石英玻璃； 步骤1-2:将切割好的石英玻璃在玻璃清洗剂中浸泡； 步骤1-3:经玻璃清洗剂浸泡后的石英玻璃使用纯水超声清洗； 步骤1-4:将纯水超声清洗后的石英玻璃用高纯氮气吹干，然后放入真空腔内。3.根据权利要求1所述的一种纯相透明氧化亚铜薄膜的制备方法，其特征在于:所述步骤2包括如下步骤: 步骤2-1:腔体抽真空，使得背景真空达到I X 10—4Pa; 步骤2-2:在I X 10—4Pa的真空下，石英玻璃衬底加热，温度为室温?350°C ； 步骤2-3:通入高纯氩气，对金属铜靶进行直流磁控溅射，以去除靶材表面的氧化物； 步骤2-4:通入氩气和氧气两种气体，氩气流量范围5?20sccm，氧气流量范围O?3sccm，通入混合气体后使得腔体真空度维持在0.3?1Pa; 步骤2-5:在氩氧混合气氛下，使用预溅射处理的金属铜靶在石英玻璃衬底上进行直流反应磁控溅射，沉积含铜氧化亚铜薄膜。4.根据权利要求1所述的一种纯相透明氧化亚铜薄膜的制备方法，其特征在于:所述步骤3包括如下步骤: 步骤3-1:使用分子栗将真空腔的真空度抽到I X 10—4Pa; 步骤3-2:将含铜氧化亚铜样品加热到250?350°C ； 步骤3-3:真空腔内通入高纯氩气和氧气混合气，使得真空腔的气压范围0.3Pa?lOOPa，其中氩气浓度0%?95%，氧气浓度5%?100% ； 步骤3-4:含铜氧化亚铜样品在气压范围0.3Pa?10Pa的氩氧混合气下，250?350°C温度范围内保温0.5h?1h; 步骤3-5:样品停止加热降温，使用分子栗将腔体真空抽到I X 10—4Pa; 步骤3-6:真空腔内冲入高纯氮气达到大气压后，取出样品。5.根据权利要求3所述的一种纯相透明氧化亚铜薄膜的制备方法，其特征在于:直流磁控溅射过程中的参数为: 靶材功率密度2?10W/cm2，氩氧混合气，工艺真空度0.3?1Pa，衬底温度室温?350°C，沉积时间I?30min，薄膜厚度为50?2000nmo
【文档编号】C23C14/08GK105839063SQ201610225636
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年4月12日
【发明人】杜文汉, 杨景景, 赵宇, 张燕, 刘珂琴, 熊超, 朱锡芳
【申请人】常州工学院