專利名稱：銅銦鎵硒靶材的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種銅銦鎵硒靶材，尤其涉及一種銅銦鎵硒靶材的制作方法。
背景技術：
近年來，由于環保意識的抬頭，各國投入大量資源全力開發太陽能電池。在眾多太陽能電池中，硅太陽能電池雖具有較佳光電轉換效率且制造技術成熟，但是因上游原材料的硅晶圓供應量不足，使得終端硅太陽能電池的量產規模受到相當大的限制。染料敏化太陽能電池雖然具有較低的制造成本且因不需硅晶圓而沒有受到全球性硅晶圓不足的問題， 但是需要特定的光敏染料，且僅少數廠家能供應，所以染料敏化太陽能電池仍有原材料供應穩定性的問題。銅銦鎵硒太陽能電池是很有潛力的太陽能電池，主要的優點是所需原材料為銅、 銦、鎵以及硒，因用量不大而不會造成原材料供應不穩定的問題，且可制作在可撓性的基板上，使得終端太陽能電池產品可具有不同的形狀，擴大應用領域與使用方便性。目前的實驗室技術可使光電轉換率高達20 %，而軟性塑料基板的光電轉換率也可達14 %。在銅銦鎵硒太陽能電池中，關鍵在于制作銅銦鎵硒薄膜的過程，現有銅銦鎵硒薄膜的制作過程如圖1所示，包含靶材制作步驟Si、銅銦鎵薄膜濺鍍步驟S2以及硒化步驟 S3。在靶材制作步驟Sl中，由于鎵在30°C即轉換為液態，通常是以粉末冶金的方式形成銅鎵合金靶材、銅銦合金靶材或銅銦鎵合金靶材，接著在銅銦鎵薄膜濺鍍步驟S2中，以濺鍍銅銦鎵合金靶材、共濺鍍銅鎵合金靶材及銦靶材、共濺鍍銅鎵合金靶材及銅銦合金靶材等方式，制作出銅銦鎵薄膜，接著進行硒化步驟S3，將銅銦鎵薄膜在高溫下通入硒蒸氣或氫化硒，而形成銅銦鎵硒薄膜。然而，在硒化步驟S3中，硒蒸氣或氫化硒均為對人體有毒的氣體，在制程以及機械保養的過程中都具有潛在的危險，且硒化步驟S3生產時間耗時較久、材料利用率不高， 使得制造成本昂貴，另外，經過硒化步驟S3所制作的銅銦鎵硒薄膜，其中銅、銦、鎵、硒的組成及晶相并不均勻，在晶界上常有CuxSe、h2Se3等雜項產生，而造成得良率不佳，進而減低了太陽能電池的轉換效率。再者，亦有所謂銅銦鎵硒(CIGQ合金靶，現有技術中為采用粉末冶金，將單一元素或合金粉末，經球磨混合均勻，高溫熔融成靶材，此一形態的靶材因未化合，濺鍍的過程， 易產生偏析，使成分隨使用時間變化，膜質再現性不佳。

發明內容
本發明針對現有技術的弊端，提供一種銅銦鎵硒靶材的制作方法。本發明所述的銅銦鎵硒靶材的制作方法，包含銅銦鎵硒化合物制作步驟、銅銦鎵硒粉末制作步驟、靶材初胚制作步驟、燒結步驟以及整型步驟。本發明主要是在銅銦鎵硒化合物制作步驟依照原子比例，將銅、銦、鎵的金屬粉末或其合金粉末以及硒粉以有機溶劑均勻混合，再以高溫反應合成為銅銦鎵硒化合物，然后在銅銦鎵硒粉末制作步驟中，將銅銦鎵硒化合物形成粒徑小于5 μ m的銅銦鎵硒粉末，再以靶材初胚制作步驟、燒結步驟以及整型步驟將銅銦鎵硒粉末制作為銅銦鎵硒靶材，使太陽能的銅銦鎵硒薄膜能夠直接以銅銦鎵硒靶材濺鍍而成。藉由本發明銅銦鎵硒靶材的制作方法，能夠在銅銦鎵硒薄膜的制程中省略現有的硒化步驟，不必通入氫化硒或硒蒸氣，能夠確保制程的安全性，以避免工人安全問題，同時能夠縮減制程時間、減少耗能、增加材料的利用率。進一步地，利用本發明方法所制作的銅銦鎵硒靶材，在所濺鍍的薄膜上，能有效地使薄膜的均勻度及晶相一致，沒有現有技術產生雜項、組成不均的問題，提升了薄膜質量以及太陽能電池的轉換效率。


圖1為現有技術銅銦鎵硒薄膜制作方法的流程圖；圖2為本發明銅銦鎵硒靶材制作方法的流程圖；圖3為本發明銅銦鎵硒粉末制作步驟的細部說明流程圖；圖4為本發明靶材初胚制作步驟的細部說明流程圖；以及圖5為本發明銅銦鎵硒靶材制作方法另一實施例的流程圖。
具體實施例方式以下配合說明書附圖對本發明的實施方式做更詳細的說明，以使本領域技術人員在研讀本說明書后能據以實施。圖2為本發明銅銦鎵硒靶材制作方法的流程圖。參閱圖2，本發明銅銦鎵硒靶材制作方法包含銅銦鎵硒化合物制作步驟S10、銅銦鎵硒粉末制作步驟S20、靶材初胚制作步驟 S30、燒結步驟S40以及整型步驟S50。銅銦鎵硒化合物制作步驟S10，主要是形成原子比例為CuxInl-yfeiySez，其中χ = 0 1. 2，y = 0 1，Z = 1. 6 2. 4的銅銦鎵硒化合物，銅銦鎵硒化合物制作步驟SlO是依照上述的原子比例，在一容器中置入將銅、銦、鎵的金屬粉末或合金粉末及硒粉，如銅銦合金粉、銦鎵合金粉以及硒粉、銅鎵合金、銦粉以及硒粉、銅銦合金粉、銅鎵合金粉以及硒粉、 以及銅銦鎵合金粉以及硒粉的其中之一，然后在容器中加入具有高于240°C的沸點及pH值 7 10的弱堿性有機溶劑，并加熱高于200°C的反應溫度，使銅、銦、鎵等金屬或合金粉末與硒粉均勻混合并進行一合成反應，以合成硒化多元金屬化合物，即銅銦鎵硒化合物。之后在經過降溫、析出、過濾、清洗、干燥等處理，而形成粉體狀的銅銦鎵硒化合物。銅銦鎵硒粉末制作步驟S20，是將銅銦鎵硒化合物制作步驟SlO所制作的銅銦鎵硒化合物，制作為粒徑小于5 μ m的銅銦鎵硒顆粒粉末。參閱圖3，為本發明銅銦鎵硒粉末制作步驟的細部說明流程圖。如圖3所示，銅銦鎵硒粉末制作步驟S20包含球磨步驟S21以及干燥造粒步驟S23。球磨步驟S21是將粉體狀的銅銦鎵硒化合物放置于含有研磨球的容器中，加入至少一增添劑，增添劑至少包含助燒結劑、黏結劑以及添加劑，以濕式球磨的方式，將銅銦鎵硒化合物研磨為銅銦鎵硒漿料，并予以充分地分散。干燥造粒步驟S23，是將銅銦鎵硒漿料置入一噴霧干燥機，以連續干燥的方式，將銅銦鎵硒漿料瞬間干燥為粒徑小于 5μm的銅銦鎵硒粉末。靶材初胚制作步驟S30是將銅銦鎵硒粉末制作步驟S20所制作出的銅銦鎵硒粉末制作為靶材初胚。參閱圖4，為本發明靶材初胚制作步驟的細部說明流程圖。如圖4所示， 靶材初胚制作步驟包含成型步驟S31、強化步驟S33以及脫臘步驟S35。成型步驟S31是將銅銦鎵硒粉末以成型機壓制為靶材的胚體。強化步驟S33是以冷等均壓機(CIP)或熱等均壓機(HIP)，將成型步驟S31所形成的胚體加壓，以將該胚體實密化。脫臘步驟S35是將實密化后的胚體裝設真空爐中，以去除球磨步驟S21所加入的黏結劑及添加劑，而形成燒結前的初胚。燒結步驟S40，是將初胚裝設于高溫爐中，以真空環境或是通入惰性氣體或還原氣體的環境下，在450°C 900°C下燒結1 10小時，較佳為在550°C下燒結6小時，以去除黏結劑并形成一燒結胚體。整型步驟S50，是將燒結胚體表面的突起去除，并黏結導電背板，而完成銅銦鎵硒靶材。參閱圖5，為本發明銅銦鎵硒靶材制作方法另一實施例的流程圖。如圖5所示，本發明銅銦鎵硒靶材制作方法與圖2至圖4的方法相似。但省略了強化步驟S33，改以加壓燒結步驟S45替代燒結步驟S40。加壓燒結步驟S45將初胚裝設于一高溫爐，在通入惰性氣體或還原氣體的環境下，在900 2000千帕(KPa)的一高壓下直接燒結初胚，以形成一燒結胚體，即在一步驟中同時達到實密化及燒結的目的。藉由本發明實施例所制作的銅銦鎵硒靶材，可以直接地用以濺鍍銅銦鎵硒薄膜， 而可以省略現有的硒化步驟。以上所述僅為用以解釋本發明的較佳實施例，并非企圖據以對本發明做任何形式上的限制，因此，凡有在相同的創作精神下所作有關本發明的任何修飾或變更，皆仍應包括在本發明意圖保護的范疇。
權利要求
1.一種銅銦鎵硒靶材的制作方法，其特征在于，包含一銅銦鎵硒化合物制作步驟，依照一原子比例，在一容器中加入銅、銦、鎵的金屬或合金粉末、硒粉以及一有機溶劑，再將該容器加熱至一反應溫度，而使該銅、銦、鎵的金屬或合金粉與該硒粉均勻混合并進行一合成反應，以合成一銅銦鎵硒化合物；一銅銦鎵硒粉末制作步驟，包含一球磨步驟以及一干燥造粒步驟，該球磨步驟是將該銅銦鎵硒化合物放置于一含有研磨球的容器中，并加入至少一增添劑，以一濕式球磨方式， 將該銅銦鎵硒化合物研磨為一銅銦鎵硒漿料，該干燥造粒步驟是將該銅銦鎵硒漿料置入一噴霧干燥機，將銅銦鎵硒漿料瞬間干燥為粒徑小于5 μ m的銅銦鎵硒粉末；一靶材初胚制作步驟，包含一成型步驟、一強化步驟以及一脫臘步驟，該成型步驟是將該銅銦鎵硒粉末以一成型機壓制為一胚體，該強化步驟是將該胚體加壓，使該胚體實密化， 該脫臘步驟是將實密化的該胚體裝設一真空爐中，以去除所述增添劑的一部分，而形成燒結前的一初胚；一燒結步驟，是將該初胚裝設于一高溫爐中，在一真空環境或至少通入一惰性氣體以及一還原氣體的其中之一的環境下燒結，以形成一燒結胚體；一整型步驟，是將該燒結胚體表面的突起去除，并黏結一導電背板，而完成一銅銦鎵硒靶材。
2.如權利要求1所述的制作方法，其特征在于，該強化步驟是一冷等均壓機或一熱等均壓機將該胚體實密化。
3.如權利要求1所述的制作方法，其特征在于，該燒結步驟是在450°C 900°C下燒結 1 10小時。
4.如權利要求1所述的制作方法，其特征在于，該原子比例為CuxInl-yfeySez，其中χ =0 1. 2，y = 0 1，ζ = 1. 6 2. 4。
5.如權利要求1所述的制作方法，其特征在于，該有機溶劑具有一高于的沸點及一 pH值7 10的弱堿性，且該反應溫度為高于200°C。
6.如權利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述增添劑包含一助燒結劑、一黏結劑、一添加劑的至少其中之一。
7.一種銅銦鎵硒靶材的制作方法，其特征在于，包含一銅銦鎵硒化合物制作步驟，依照一原子比例，在一容器中加入銅、銦、鎵的金屬或合金粉末、硒粉以及一有機溶劑，再將該容器加熱至一反應溫度，而使該銅、銦、鎵的金屬或合金粉與該硒粉均勻混合并進行一合成反應，以合成一銅銦鎵硒化合物；一銅銦鎵硒粉末制作步驟，包含一球磨步驟以及一干燥造粒步驟，該球磨步驟是將該銅銦鎵硒化合物放置于一含有研磨球的容器中，并加入至少一增添劑，以一濕式球磨方式， 將該銅銦鎵硒化合物研磨為一銅銦鎵硒漿料，該干燥造粒步驟是將該銅銦鎵硒漿料置入一噴霧干燥機，將銅銦鎵硒漿料瞬間干燥為粒徑小于5 μ m的銅銦鎵硒粉末；一靶材初胚制作步驟，包含一成型步驟以及一脫臘步驟，該成型步驟是將該銅銦鎵硒粉末以一成型機壓制為一胚體，該脫臘步驟是該胚體裝設一真空爐中，以去除所述增添劑的一部分，而形成燒結前的一初胚；一加壓燒結步驟，是將初胚裝設于一高溫爐，在至少通入一惰性氣體以及一還原氣體的其中之一的環境，在一高壓下燒結該初胚，以形成一燒結胚體；一整型步驟，是將該燒結胚體表面的突起去除，并黏結一導電背板，而完成一銅銦鎵硒靶材。
8.如權利要求7所述的制作方法，其特征在于，該原子比例為CuxInl-yfeySez，其中χ =0 1. 2，y = 0 1，ζ = 1. 6 2. 4。
9.如權利要求7所述的制作方法，其特征在于，該有機溶劑具有一高于240°C的沸點及一 pH值7 10的弱堿性，且該反應溫度為高于200°C。
10.如權利要求7所述的制作方法，其特征在于，所述增添劑包含一助燒結劑、一黏結劑、一添加劑的至少其中之一。
11.如權利要求7所述的制作方法，其特征在于，該高壓的范圍為900 2000千帕。
12.如權利要求7所述的制作方法，其特征在于，該加壓燒結步驟是在450°C 90(TC下燒結1 10小時。
全文摘要
本發明公開了一種銅銦鎵硒靶材的制作方法，包含銅銦鎵硒化合物制作步驟、銅銦鎵硒粉末制作步驟、靶材初坯制作步驟、燒結步驟以及整型步驟，主要是依照原子比例，將銅、銦、鎵的金屬粉末或其合金粉末以及硒粉以有機溶劑均勻混合，再以高溫反應合成為銅銦鎵硒化合物，再將銅銦鎵硒化合物形成粒徑小于5μm的粉末，然后制作為銅銦鎵硒靶材。藉由本發明銅銦鎵硒靶材制作銅銦鎵硒薄膜，可以省略硒化步驟，以確保制程的安全性，同時能夠縮減制程時間、減少耗能、增加材料的利用率，進一步改善薄膜的均勻度及晶相，更提升太陽能電池的轉換效率。
文檔編號C23C14/34GK102199751SQ20101013208
公開日2011年9月28日 申請日期2010年3月25日 優先權日2010年3月25日
發明者鍾潤文 申請人:慧濠光電科技股份有限公司