专利名称：利用氧化铝锌靶材制备多层薄膜的方法
利用氧化铝锌靶材制备多层薄膜的方法技术领域
本发明是有关于一种制备薄膜的方法，尤指一种利用氧化铝锌靶材制备多层薄膜的方法。
背景技术：
讲求环保节能减碳是现今国际趋势,其中太阳能电池(solar cell)于白天能透过阳光产生电能，并储存于蓄电池中，在夜晚或雨天时，也能随意使用，因此成为最受瞩目的绿色能源。太阳能电池种类相当多，例如单晶娃太阳能电池(monocrystalline silicon solar cell)、多晶娃太阳能电池(polycrystalline silicon solar cell)、薄膜太阳能电池(Thin film solar cell)、有机材料太阳能电池(organic solar cell)等。其中， 单晶硅太阳能电池及多晶硅太阳能电池因硅原料高涨所以制作成本提高，对于大面积或建筑使用的太阳能发电较不适宜；有机材料太阳能电池主要是以染料敏化太阳能电池 (dye-sensitized solar cell, DSSC)以及聚合物(polymers)为主,染料敏化太阳能电池需使用感旋光性材料当作吸光材质，但目前能运用的染料及电解液种类较少、光电转换效能低且寿命短，故上述的太阳能电池难以大规模地取代传统的发电方式。
此外，另有化合物半导体作为太阳能电池，包含有II1-V族材料的砷化镓(GaAs)、 I1-VI族的碲化镉(CdTe)以及1-1I1-V族铜铟镓硒[Cu (In，Ga) Se2, CIGS]等，其中铜铟镓硒太阳能电池(CIGS solar cell)和其它材料相比具有较高的光吸收系数(absorption coefficients),因此可制作成仅I至2 μ m的厚度，即能有效的吸收太阳光谱，且该铜铟镓硒太阳能电池具有较高的光电转换效能、可制备于不同材质的基板上及低成本等优点，故此铜铟镓硒太阳能电池的应用可相当广泛。
该铜铟镓硒太阳能电池由下往上的分层结构，是以玻璃当作基板，接着在玻璃上沉积一层耐高温且化学稳定的钥金属(Mo)做为背面电极(接正极)，再经物理气相沉积 CIGS薄膜并作为吸收层(absorber layer),再使用化学槽沉积方式沉积硫化镉(CdS)作为缓冲层(buffer layer),接着再以派镀方法沉积本质氧化锌(intrinsic ZnO)作为透光层(window layer)以及派镀法沉积氧化招锌(AZO)作为导电层(transparent electrode layer),之后再接上金属电极并与负极相接。
由于目前铜铟镓硒太阳能电池系利用硫化镉作为缓冲层，而镉(Cd)为有毒元素， 会造成环境污染而不符合环保能源的目的，故目前有硫化锌(ZnS)、硒化锌(ZnSe)、氧化锌 (ZnO)、氧化镁(MgO)或硫化铟(In2S3)等材料可作为替代。目前制备铜铟镓硒太阳能电池的缓冲层、透光层及导电层的过程中，需以三种不同成分的靶材(target)分别于三个反应腔体(reactor chamber)进行派镀(sputtering)制备,不但成本高且需要较长的周期时间。发明内容
鉴于目前制备铜铟镓硒太阳能电池的缓冲层、透光层及导电层需以三种不同成分的靶材分别于三个反应腔体内制备，不但成本高且需要较长的周期时间；是以，本发明的目的是提供一种可仅用单一靶材且于单一反应腔体内利用氧化铝锌靶材制备供应用于太阳能电池的薄膜的方法。
为了达到上述目的，本发明首先提供一种利用氧化铝锌靶材制备多层薄膜的方法，其包括下列步骤
将氧化铝锌靶材于氩气(Ar)及硫化氢(H2S)气体中溅镀于一基材上，以生成 ZnCVxSx薄膜，作为缓冲层；再将氧化铝锌靶材于氩气及氧气(O2)中溅渡于ZnCVxSj^膜上， 以生成高阻值(高阻质)的氧化铝锌(ZnO = Al2O3)薄膜，作为透光层；再将氧化铝锌靶材直接溅镀于高阻值的氧化铝锌薄膜后，以生成氧化铝锌(AZO)薄膜，作为电极导电层。
根据本发明的具体技术方案，优选地，所述的基材包括一基板，以及依序迭置于该基板上的背电极及铜铟镓硒薄膜，所述缓冲层、透光层以及导电层依序生成于铜铟镓硒薄膜之上。优选地，所述派镀包含直流派镀(direct current sputtering, DC sputtering) 或身寸步页灘锻(radio frequency sputtering, RF sputtering)等。
根据本发明的具体技术方案，优选地，所述溅镀以生成各薄膜层是于同一反应腔体中制备。
根据本发明的具体技术方案，优选地，所述生成ZnOhSx薄膜的氩气与硫化氢气体的流量比介于5 I至2 1，且该ZnCVxSx薄膜的厚度介于25至100纳米(nm)。
根据本发明的具体技术方案，优选地，所述ZnCVxSx薄膜的能隙为2. 8至3. 7电子伏(eV)。
根据本发明的具体技术方案，优选地，所述生成高阻值氧化铝锌薄膜的氩气与氧气的流量比介于20 I至3 1，且该高阻值氧化铝锌薄膜的厚度介于50至150纳米(nm)。
根据本发明的具体技术方案，优选地，所述氧化铝锌薄膜的厚度介于100至300纳米(nm)。
本发明所提供的制备方法的优点在于
1、相较于目前需要三种靶材及三个反应腔体才能制得缓冲层、透光层及电极导电层，本发明仅需利用一种氧化铝锌靶材于同一反应腔体中，于不同气体溅镀之下，即可生成不同成分的薄膜以制备缓冲层、透光层及电极导电层，不但可降低成本，也相当节省时间。
2、缓冲层、透光层及电极导电层的薄膜的能隙及电阻值可依照添加的反应气体量而改变。
3、由于制法简单且成本大大降低，故适合大规模生产。
图1为本发明所提供的制备方法的步骤流程图。
图2为本发明的实施例的示意图。
具体实施方式
本发明提供的方法可应用于铜铟镓硒太阳能电池的制作，其可在一反应腔体内， 于基板上依序生成背电极及铜铟镓硒薄膜后，将氧化铝锌靶材于氩气(Ar)及硫化氢(H2S) 气体中溅镀，以生成ZnCVxSx薄膜，作为缓冲层，该缓冲层的能隙为2. 8至3. 7电子伏(eV)， 并可依通入的硫化氢气体量去调整ZnCVxSx薄膜的传导度(conductivity),其中IS气与硫化氢气体的流量比介于5 :1至2 :1 ;再将氧化铝锌靶材于氩气及氧气(O2)中溅镀，其中氩气与氧气的流量比介于20 :1至3 : 1，以生成高阻值氧化铝锌(ZnO = Al2O3)薄膜，作为透光层；再将氧化铝锌靶材直接溅镀后，以生成氧化铝锌薄膜，作为电极导电层。图1为本发明所提供的利用氧化铝锌靶材制备多层薄膜的方法的步骤流程图。图2为具有采用本发明提供的方法制备的多层薄膜的铜铟镓硒太阳能电池的示意图。
本发明将由下列的实施例作为进一步说明，这些实施例并不限制本发明前面所揭示的内容。
实施例1 :作为缓冲层的ZnCVxSx薄膜的制备
本实施例中，于反应腔体内放入氧化铝锌靶材并通入流量为40sccm的氩气及流量为IOsccm的硫化氢气体；射频溅镀电密度为1. 5每平方公分瓦(W/cm2)，溅镀厚度为 500A ;真空压力为60毫托耳(mTorr);革巴材与基板间隔(T/S spacing)距离为5公分(cm)； 温度为200°C。
表I缓冲层的ZnCVxSx薄膜工艺参数
工艺参数范围氩气流量(sccm)40硫化氢气体气流量(sccm)10射频电密度(W/cm2)1. 5真空压力(mTorr)60制程温度Ce)200 沉积厚度(A)500T/S 距离(Cm)5
氧化铝锌靶材中的铝(Al)和硫⑶及氧(O)，如下述反应式⑴至⑶所示，反应后会生成硫化铝(Al2S3)及氧化铝(Al2O3),该硫化铝(Al2S3)及氧化铝(Al2O3)皆为相当稳定的介电材料(dielectric material),并不影响ZnCVxSx薄膜的性质。
(I) Ζπ+Sx+Oh — ZnOhSx
(2) 2A1+3SX — Al2S3
(3)2Α1+30 — Al2O3
由表I的工艺参数溅镀生成一 ZnCVxSx薄膜，并作为缓冲层，该ZnCVxSx薄膜经 EDX(X射线荧光分析装置)方法鉴定分析，可知其中氧化锌硫的比值为O. 8 : O. 2，厚度为50纳米(nm)，能隙为2. 89电子伏(eV)。
实施例2 :作为透光层的高阻值氧化铝锌(ZnO = Al2O3)薄膜的制备
本实施例中，于反应腔体内放入氧化铝锌靶材并通入流量为40sccm的氩气及流量为IOsccm的氧气；溅镀功率密度为2. 5每平方公分瓦(W/cm2)，溅镀厚度为1000A ;真空压力为50毫托耳(mTorr);靶材与基板间隔距离为5公分(cm);温度为200°C。
表2透光层的氧化锌(1-ZnO)薄膜工艺参数
工艺参数范围氩气流量(sccm)40氧气气流量(sccm)10射频电密度(W/cm2)2. 5真空压力(mTorr)50制程温度Ce)200沉积厚度(A)1000T/S 距离(Cm)5
氧气会和氧化铝锌靶材，如下述反应式(4)至(5)所示，反应生成氧化铝，该氧化招为非晶形(amorphous)的介电材料,并不影响高阻值氧化招锌薄膜的性质。
(4) Ζη+0 — ZnO
(5) 2A1+30 — Al2O3
由表2的工艺参数溅镀生成一高阻值氧化铝锌薄膜，并作为透光层，经EDX (X射线荧光分析装置)可知，其中该氧化锌薄膜的厚度为100纳米(nm)，能隙为3. 35电子伏(eV)， 穿透率大于90%。
实施例3 :作为电极导电层的氧化铝锌(AZO)薄膜的制备
本实施例中，于反应腔体内放入氧化铝锌靶材并通入流量为50sccm的氩气；直流溅镀的功率密度为2每平方公分瓦(W/cm2)，溅镀厚度为1500A ;真空压力为5毫托耳 (mTorr);祀材与基板间隔距离为5公分(cm);温度为200°C。
表3电极导电层的氧化铝锌(AZO)薄膜工艺参数
工艺参数范围氩气流量(sccm)50直流电密度(W/cm2)2 真空压力(mTorr)5制程温度Ce)200
权利要求
1.一种利用氧化铝锌靶材制备多层薄膜的方法，其包含 将氧化铝锌靶材于氩气及硫化氢气体的反应腔体中溅镀于一基材上，以生成ZnCVxSx薄膜；再将氧化铝锌靶材于氩气及氧气中溅镀于该ZnCVxSx薄膜上，以生成高阻值氧化铝锌薄膜；再将氧化铝锌靶材于氩气下直接溅镀于该高阻值氧化锌薄膜后，以生成氧化铝锌薄膜。
2.如权利要求1所述的利用氧化铝锌制备多层薄膜的方法，其中，所述基材包括一基板，以及依序迭置于该基板上的背电极及铜铟镓硒薄膜，所述的ZnCVxSx薄膜、高阻值氧化铝锌薄膜以及氧化铝锌薄膜依序生成于铜铟镓硒薄膜之上。
3.如权利要求1所述的利用氧化铝锌制备多层薄膜的方法，其中，所述溅镀方法包含直流溅镀或射频溅镀。
4.如权利要求1-3任一项所述的利用氧化铝锌制备多层薄膜的方法，其中，所述溅镀以生成各薄膜层是于同一反应腔体中制备。
5.如权利要求1-3任一项所述的利用氧化铝锌制备多层薄膜的方法，其中，所述ZnCVxSx薄膜的能隙为2. 8至3. 7电子伏。
6.如权利要求1所述的利用氧化铝锌制备多层薄膜的方法，其中，所述ZnCVxSx薄膜的氩气与硫化氢气体的流量比为5 :1至2 :1。
7.如权利要求1所述的利用氧化铝锌制备多层薄膜的方法，其中，所述高阻值氧化铝锌薄膜的氩气与氧气的流量比为20 :1至3 :1。
8.如权利要求1所述的利用氧化铝锌制备多层薄膜的方法，其中，所述ZnCVxSx薄膜的厚度为25至100纳米。
9.如权利要求1所述的利用氧化铝锌制备多层薄膜的方法，其中，所述高阻值氧化铝锌薄膜的厚度为50至150纳米。
10.如权利要求1所述的利用氧化铝锌制备多层薄膜的方法，其中，所述氧化铝锌薄膜的厚度为100至300纳米。
全文摘要
本发明涉及一种使用氧化铝锌靶材制备多层薄膜的方法，其是将氧化铝锌靶材于氩气及硫化氢气体中溅镀于一可供制作太阳能电池的具有铜铟镓硒层的基材上，以生成ZnO1-xSx薄膜，作为缓冲层；再将氧化铝锌靶材于氩气及氧气中溅镀于该缓冲层上，以生成高阻值的氧化铝锌薄膜，作为透光层；再将氧化铝锌靶材直接溅镀于透光层上后，以生成氧化铝锌薄膜，作为电极导电层。本发明仅需利用一种氧化铝锌靶材于同一反应腔体中，于不同气体下溅镀，即可于一太阳能电池的基材上生成不同成分的薄膜作为缓冲层、透光层及导电层，而应用于太阳能电池的制造。
文档编号H01L31/18GK103021822SQ20111028146
公开日2013年4月3日 申请日期2011年9月21日 优先权日2011年9月21日
发明者杨能辉, 林俊荣 申请人:光洋应用材料科技股份有限公司