基于硒化銦銅合金粉末的兩步法燒結(jié)技術(shù)研究.pdf

1、目前，對三元系第ⅠB-ⅢA-ⅥA族元素組成的半導(dǎo)體化合物硒化銦銅(化學(xué)式CuInSe2，簡寫為CIS)太陽能電池材料的研究多集中于吸收層CIS薄膜的制備工藝與產(chǎn)物晶體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，對于CIS粉體的制備研究相對較少，國內(nèi)文獻更是鮮有報道。CIS粉體材料的研究可為吸收層薄膜的低成本制備提供新的思路，同時有望開辟新的太陽能電池領(lǐng)域。
　　 本文利用管式真空爐，以銅(Cu)粉、銦(In)粉、硒(Se)粉(原料摩爾比為1:1:2)為原料，氬

2、氣氣氛保護下，采用兩步燒結(jié)制備出具有標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)計量比(元素計量比為1:1:2)的CIS粉末。
　　 第一步燒結(jié)中，采用Cu粉和In粉(兩者摩爾比為1:1)的均勻混合物在950℃下燒結(jié)，制備出Cu-In化合物粉末。研究了燒結(jié)時間對于最終反應(yīng)物的影響。最終產(chǎn)物的元素計量配比隨反應(yīng)時間的延長而逐漸趨于1:1。燒結(jié)時間不足則會使In單質(zhì)反應(yīng)不完全，最終產(chǎn)物中有In剩余。
　　 第二步燒結(jié)中，將上一步制備的Cu-In化合物粉末與稱量

3、好的Se粉均勻混合后燒結(jié)，燒結(jié)溫度控制在550℃左右，燒結(jié)過程中通氬氣，進行氣氛保護，燒結(jié)時間3h、5h和10h。燒結(jié)不同時間以對比燒結(jié)時間對于最終產(chǎn)物微觀結(jié)構(gòu)的的影響。
　　 燒結(jié)產(chǎn)物采用X射線衍射分析儀進行物相分析，分析結(jié)果表明通過兩步燒結(jié)可以制備出具有標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)計量配比的CIS產(chǎn)物，產(chǎn)物為單相黃銅礦型晶體結(jié)構(gòu)。產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)隨燒結(jié)時間的不同而發(fā)生改變，燒結(jié)時間的延長有助于晶粒的細(xì)化。雖然第一步燒結(jié)中沒有制備出理想的元素配比為

4、1:1的Cu-In產(chǎn)物，但這并未對后續(xù)制備出的CuInSe2粉末成分產(chǎn)生影響。即使Cu粉和In粉化合不充分，也可在隨后與Se粉混合繼續(xù)燒結(jié)過程中將化合不充分產(chǎn)物通過反應(yīng)化合掉，制備出較為純凈的單相黃銅礦型CuInSe2粉末。利用掃描電子顯微鏡SEM觀察了樣品的表面形貌，結(jié)果表明CIS燒結(jié)產(chǎn)物中含有大量的孔洞，產(chǎn)物質(zhì)地疏松，反應(yīng)之后生成塊狀燒結(jié)產(chǎn)物表面凹凸不平，由細(xì)小的顆粒狀堆積而成。通過能譜分析儀EDS分析了產(chǎn)物的化學(xué)組成，可以看出實驗

5、中制備出的產(chǎn)物無論是選區(qū)分析還是選點分析，其化學(xué)計量比大致為1:1:2。這同實驗中的XRD分析結(jié)果相一致。這也驗證了通過兩步熱燒結(jié)可以制備出符合元素計量比的CIS產(chǎn)物。采用同步熱分析儀對制備過程中的化學(xué)反應(yīng)過程進行了分析。
　　 本實驗采用兩步燒結(jié)法是對一步燒結(jié)制備CIS的改進。在一步燒結(jié)制備中，Cu粉、In粉和Se粉均勻混合后，放入石英管中焊縫后加熱到950℃，進行反應(yīng)。該法有幾點不足，950℃下加熱，超過了Se粉的熔沸點，使

6、得硒元素大量揮發(fā)，造成反應(yīng)不完全。同時硒蒸汽有毒，若處理不當(dāng)會對實驗人員和環(huán)境帶來危害。石英管抽真空后焊縫操作較為復(fù)雜，且石英管易碎、價格較剛玉管昂貴。本實驗采用兩步燒結(jié)工藝就是為了克服上述缺點。兩步反應(yīng)溫度都控制在元素的沸點以下，避免了反應(yīng)物的揮發(fā)帶來的化合不完全和對人員、環(huán)境的危害；燒結(jié)中采用剛玉管不僅降低實驗成本，而且實驗的可操作性、可重復(fù)性大大提高。
　　 分析結(jié)果表明：
　　 以Cu粉、In粉、Se粉為原料通過