Se離子束輔助沉積CIS過(guò)程的數值分析
通過(guò)研究連續Se 離子束輔助磁控濺射技術(shù)，在柔性聚酰亞胺基底上沉積形成CIS 薄膜的過(guò)程，建立了相應的薄膜沉積模型。在此基礎上，以離子注入深度效應作為研究對象，從擴散均勻性角度進(jìn)行模擬計算，并與傳統氣相原子沉積方法進(jìn)行比較。通過(guò)比較分析，計算出Se 擴散均勻性為90% 時(shí)，采用離子束輔助沉積所需的襯底溫度明顯低于氣相原子沉積所需的襯底溫度。
引言
傳統的CIS 薄膜太陽(yáng)能電池的制備過(guò)程中，利用單質(zhì)Se 蒸氣或化合物H2Se 氣體在真空裝置中進(jìn)行反應沉積。在沉積或硒化過(guò)程中，為了制備高質(zhì)量CIS 太陽(yáng)能電池，襯底溫度一般要求在500 ℃ ～ 600 ℃。目前性能最好的聚酰亞胺也只能承受450 ℃左右的溫度，這就對CIS 太陽(yáng)能電池吸收層在柔性聚酰亞胺上的制備提出了更高的要求。采用Se 離子束輔助磁控濺射沉積技術(shù)制備CIS 薄膜太陽(yáng)能電池，提高反應過(guò)程的控制并實(shí)現降低襯底溫度的目的。離子的轟擊以及帶電粒子的影響可以顯著(zhù)提高CIS 薄膜太陽(yáng)能電池的成膜質(zhì)量，因此，真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為離子束輔助沉積技術(shù)將成為未來(lái)在柔性基底上制備CIS 薄膜太陽(yáng)能電池的研究方向。
離子束對薄膜生長(cháng)過(guò)程的影響可以總結為:
(1) 發(fā)生熱峰機制作用，入射離子束與吸附原子碰撞時(shí)，晶格原子接受的能量低于離位閾值，在原點(diǎn)周?chē)鰪娏业恼駝?dòng)，形成一個(gè)熱峰。幾個(gè)相鄰原子發(fā)生這種情況，熱峰范圍擴大，使小范圍內的溫度升高，從而在一個(gè)相對較低的基底溫度下獲得結晶狀態(tài)更好的薄膜;
(2) 離子的注入使沉積物和表面獲得更強的粘附并削弱臨界面對成膜質(zhì)量的影響;
(3) 離子的出現以及離子束對基底的轟擊，能顯著(zhù)的改變薄膜成核的臨界凝聚壓，進(jìn)而影響沉積過(guò)程中薄膜的成核和生長(cháng);
(4) 增強吸附原的表面遷移和擴散，控制成膜表面的形貌。這些效應對薄膜生長(cháng)動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生了比較顯著(zhù)的影響，為在低溫下獲得高質(zhì)量的薄膜提供了可能。
在此基礎上，選取離子注入深度效應作為研究對象，從Se 擴散均勻性的角度進(jìn)行模擬分析，進(jìn)而估算出采用離子束輔助沉積技術(shù)相對于傳統氣相原子沉積技術(shù)所降低的基底溫度的數值。
模擬分析
連續Se 離子束輔助磁控濺射沉積技術(shù)制備CIS 薄膜太陽(yáng)能電池的裝置如圖1 所示。為了分析離子束輔助對薄膜沉積的影響，采用比較研究的方法。首先對傳統的氣相原子沉積生成薄膜進(jìn)行分析，主要發(fā)生以下過(guò)程: (1) 蒸發(fā)原子到達并被吸附在生長(cháng)表面; (2) 沉積原子的擴散。而對于離子束反應沉積過(guò)程，相應的假設其發(fā)生如下過(guò)程: (1) 離子束注入并停留在一個(gè)相對穩定的位置; (2) 注入離子的擴散過(guò)程。
圖1 連續離子束輔助磁控濺射系統示意圖
1. Se 離子源; 2. 基底; 3. 圓柱式滾筒; 4. 熱源; 5. CuIn 靶; 6. 真空室
結束語(yǔ)
通過(guò)研究離子束輔助沉積與傳統氣相原子沉積生成CIS 薄膜的過(guò)程，從擴散均勻性角度分析，對離子束的注入深度效應進(jìn)行數值計算。當擴散均勻性相同時(shí)，分別估算出兩種沉積方式下基底溫度的不同取值，理論上證明了采用Se 離子束輔助沉積技術(shù)實(shí)現了降低基底溫度的目的。
從擴散均勻性角度出發(fā)，選取離子注入深度這一影響薄膜生長(cháng)的因素，對離子束輔助沉積CIS 過(guò)程的數值模擬進(jìn)行了初步嘗試性的探索。然而，在實(shí)際的薄膜沉積過(guò)程中，CIS 薄膜的生長(cháng)是一個(gè)相當復雜的物理化學(xué)過(guò)程，需要進(jìn)一步更深入的理論機理研究和實(shí)驗研究工作，才能掌握薄膜生長(cháng)的全過(guò)程。
