使用Cu2ZnSnS4(CZTS) 靶材，通過射頻磁控濺射方法鍍膜，不經(jīng)后期硫化處理，在鈉鈣玻璃襯底上沉積了鋅黃錫礦結(jié)構(gòu)的CZTS薄膜材料。在薄膜的沉積過程中，襯底溫度分別為300， 400 和500℃。利用掃描電子顯微鏡、X 射線衍射儀、能量色散X 射線光譜儀和紫外-可見-近紅外分光光度計等對薄膜樣品的微觀形貌、晶體結(jié)構(gòu)、元素成分、光學性質(zhì)等進行了研究。分析討論了襯底溫度對樣品的表面形貌、晶體結(jié)構(gòu)、化學成分、光吸收系數(shù)和禁帶寬度的影響關系。結(jié)果表明，在襯底溫度為500℃條件下沉積得到的CZTS 薄膜樣品，具有較好的鋅黃錫礦晶體結(jié)構(gòu)，晶粒大小為23 nm，光吸收系數(shù)在可見光范圍內(nèi)高于1 × 10⁴cm^-1 ，禁帶寬度為1.49 eV。

　　Cu2ZnSnS4(CZTS) 四元化合物半導體的禁帶寬度為1.5 eV 左右，與單節(jié)太陽電池吸收層材料的最佳禁帶寬度非常接近，由于具有較高的光吸收系數(shù)( 10⁴ cm ^-1 ) ，由CZTS 作為光吸收層的薄膜太陽電池理論光電轉(zhuǎn)化效率高達32.2%。同時，CZTS包含的元素成分在地殼中含量較豐富，且環(huán)境友好沒有毒性，因此真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認為CZTS 薄膜太陽電池具有高效率、低成本、環(huán)保等特點，成為了新一代薄膜太陽電池領域的研究熱點。

　　CZTS 材料和太陽電池的研究引起了國內(nèi)外研究人員的廣泛研究，制備方法包括電沉積、溶膠-凝膠、噴霧熱解、磁控濺射、蒸發(fā)等方法。Todorov等采用化學合成方法制備的CZTS 太陽電池的效率達到了11.1%，Chawla 等采用真空沉積方法得到了效率達9.3% 的CZTS 薄膜太陽電池。磁控濺射法制備薄膜具有易于大面積生產(chǎn)、工藝參數(shù)穩(wěn)定、薄膜均勻性好等優(yōu)勢，更適用于工業(yè)化生產(chǎn)。對于濺射法制備CZTS 薄膜材料，目前的研究主要有三個途徑: 一是首先采用金屬靶材或合金靶材制備前驅(qū)體薄膜材料，然后將前驅(qū)體薄膜材料在含有硫元素的氣氛中硫化熱處理得到CZTS 薄膜材料；二是采用二元化合物靶材，如ZnS，SnS 或Cu2S，通過共濺射制備CZTS 薄膜材料，為了補充由于二元硫化物在濺射成膜過程中的硫損失，也需要后硫化處理保證硫元素的化學計量比；三是直接采用四元化合物CZTS 靶制備CZTS 薄膜材料，與前兩種方法相比，這種方法制備的CZTS 薄膜材料的均勻性和平整性更好。然而，關于采用CZTS 陶瓷靶制備CZTS薄膜材料的研究還不是很多。Seol 等在2003 年采用CZTS 陶瓷靶通過射頻磁控濺射成功制備出了CZTS 薄膜材料。Inamdar 等2012 年采用單一CZTS 陶瓷靶材通過射頻磁控濺射所制備了CZTS半導體薄膜材料，其禁帶寬度為1. 55 eV。Jun等采用四元化合物靶材制備了CZTS 薄膜材料，并研究了后硫化對薄膜結(jié)構(gòu)和性能的影響。

　　從目前的研究來看，為了得到單相的鋅黃錫礦結(jié)構(gòu)CZTS薄膜，多數(shù)涉及到后硫化和熱處理過程，這就使CZTS薄膜材料的制備工藝流程需要兩步。本研究工作通過將結(jié)晶性較好的鋅黃錫礦結(jié)構(gòu)CZTS 粉體材料制成陶瓷靶材，采用單一CZTS 四元化合物靶材通過射頻濺射方法一步沉積得到了CZTS 薄膜，在沉積薄膜過程中通過襯底加熱的方法，研究不同襯底溫度對CZTS 薄膜材料的化學成分、晶體結(jié)構(gòu)、表面形貌、光吸收系數(shù)和禁帶寬度等性能的影響關系。

1、實驗

　　薄膜樣品制備采用射頻磁控濺射，所用儀器為JGP-560 型超高真空磁控濺射儀( 中國科學院沈陽科學儀器有限公司) ;使用的CZTS 靶材是由具有鋅黃錫礦晶體結(jié)構(gòu)的Cu2ZnSnS4粉體壓制而成，其中Cu，Zn，Sn，S 元素摩爾比為2：1：1：4，靶材的尺寸為Φ60 mm × 3 mm；襯底為鈉鈣玻璃(1 cm× 2 cm) 。濺射氣體為Ar 氣，本底真空為2 × 10 ^-4 Pa，靶與襯底的間距為15 cm，濺射氣壓為0.2 Pa，襯底溫度分別為室溫、300，400 和500℃，射頻濺射功率為70 W，CZTS 薄膜厚度為1500 ± 10 nm。

　　采用DX-2000 X 射線衍射( XRD) 儀表征薄膜的晶體結(jié)構(gòu)；Veeco Dektak 150 表面輪廓儀測量薄膜厚度；FEI Quanta FEG 250 場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM) 和能量色散X 射線光譜(EDS) 儀測試CZTS薄膜的表面微結(jié)構(gòu)及元素成分；Shimadzu UV-3600紫外-可見分光光度計研究CZTS 薄膜的光吸收系數(shù)和禁帶寬度等。

3、結(jié)論

　　本文中使用具有鋅黃錫礦晶體結(jié)構(gòu)的CZTS 靶材，通過射頻磁控濺射法，未經(jīng)硫化處理，得到了鋅黃錫礦結(jié)構(gòu)的CZTS 薄膜材料。在薄膜的沉積過程中通過襯底加熱的方法，有利于得到結(jié)晶性較好、結(jié)構(gòu)致密的大晶粒CZTS 薄膜材料。

　　研究結(jié)果表明，隨著襯底溫度由300℃升高到500℃，CZTS 薄膜的結(jié)晶性隨之改善，晶粒尺寸由13 增大到23 nm，且禁帶寬度由1. 56 eV 達到更接近于理想太陽電池光吸收層材料的1. 49 eV，CZTS 薄膜的光吸收系數(shù)在可見光范圍內(nèi)均高于1 × 104 cm - 1。這表明使用鋅黃錫礦晶體結(jié)構(gòu)的CZTS 靶材通過磁控濺射方法制備的CZTS 薄膜具有較好的結(jié)晶度、較佳的光學性能和理想的禁帶寬度。

　　即使采用的CZTS 靶材具有理想的化學計量比，在濺射和薄膜生長過程中也會損失少量的Cu、Zn 和S 元素，導致CZTS 薄膜樣品中元素含量與CZTS 靶材的元素配比有了一定程度的差異，表明通過磁控濺射方法要得到理想元素配比的CZTS 薄膜材料，在靶材的元素組分及鍍膜工藝等方面仍需要開展進一步的研究。