CIGS太阳能光电四元溅镀靶材、其制法、其与靶背板结合方法及其补料方法转让专利
申请号 : CN200910207439.0
文献号 : CN102051584B
文献日 : 2012-12-26
发明人 : 张昇常
申请人 : 张昇常
摘要 :
本发明公开了一种CIGS太阳能光电四元溅镀靶材、其制法、其与靶背板结合方法及其补料方法，其是将铜与铟混合，经热融、固化及研磨而预制成铜/铟合金粉末，将铜与镓混合，经热融、固化及研磨而预制成铜/镓合金粉末，再将铜/铟合金粉末、铜/镓合金材料及硒材料粉末充份混合而备制成加工材料粉末。再将加工材料粉末填充于模具内，通过一般的加热升温热融及加压程序，快速成型包括有铜Cu、铟In、镓Ga及硒Se的靶材。再者，将靶背板设计为模具的一部份，使靶材成型同时可直接与靶背板结合为一体。而使用过的靶材经洗净后，置入模具中，并填入加工材料粉末，经过热融、加压及冷却的程序后，即可使靶材补充至所需规格的尺寸大小，继续供使用。以达到CIGS靶材制造，靶材与靶背板结合，及靶材补料等制程简化，大幅降低成本之目的。
权利要求 :
1.一种CIGS四元溅镀靶材的制造方法，其特征在于，包括有下列步骤：
(a)准备加工材料粉末，所述加工材料粉末为混合包含有铜Cu、铟In、镓Ga及硒Se；
(b)将所述加工材料粉末置入一模具的模穴中，对所述加工材料粉末加热至少到硒的熔点温度，并予以多次加压，使铜Cu、镓Ga、铟In及硒Se均匀化合而粘结一体后再冷却；及(c)冷却后卸载所述模具，即完成条块状的靶材制造，并使所述靶材包括有铜Cu、铟In、镓Ga及硒Se；
所述准备加工材料粉末的步骤包括：
(a1)准备铜Cu、铟In、镓Ga及硒Se；
(a2)将铜Cu与铟In相互均匀混合，经多次真空热融、加压、冷却及研磨成粉的程式，而备制成铜/铟CuIn合金材料粉末；将铜Cu与镓Ga相互均匀混合，经多次真空热融、加压、冷却及研磨成粉的程式，而备制成铜/镓CuGa合金材料粉末；备妥硒Se粉末；及(a3)将所述铜/铟CuIn合金粉末、所述铜/镓CuGa合金粉末及所述硒材料粉末充分 混合而成所述加工材料粉末。
2.根据权利要求1所述的CIGS四元溅镀靶材的制造方法，其特征在于：重复多次(b)步骤所述的加压程式。
3.根据权利要求1所述的CIGS四元溅镀靶材的制造方法，其特征在于：步骤(b)所述模具包括有一作为母模的铝制靶背板、一框围在所述靶背板顶面的框模及一公模，所述靶背板固定于一底座上，所述公模底面具有一模仁，所述模仁轮廓形状与所述框模的框口相配合，所述靶背板及所述框模围成一成型模穴，于所述成型模穴填入所述加工材料粉末。
4.根据权利要求3所述的CIGS四元溅镀靶材的制造方法，其特征在于：所述铝制靶背板顶面设有一凹槽，所述凹槽为所述成型模穴的一部份，所述凹槽包括有一壁面及一底部，所述底部设有一第一粗糙结构，所述壁面设有一第二粗糙结构。
5.根据权利要求4所述的CIGS四元溅镀靶材的制造方法，其特征在于：所述凹槽的深度为2～3mm。
6.根据权利要求4所述的CIGS四元溅镀靶材的制造方法，其特征在于：所述第一粗糙结构包括有呈交错分布的复数条纵向狭槽及复数条横向狭槽，所述第二粗糙结构为一沿着所述凹槽的轮廓环绕的凹沟，所述凹沟位于所述凹槽的壁面与底部交接处。
7.根据权利要求6所述的CIGS四元溅镀靶材的制造方法，其特征在于：所述狭槽的深度为2～3mm，宽度约5mm，且二相邻的所述狭槽的间隔约15mm。
8.根据权利要求1所述的CIGS四元溅镀靶材的制造方法，其特征在于：所述步骤(b)中，将所述模具置于一真空腔室中进行加热及加压。
9.一种CIGS四元溅镀靶材成型同时与靶背板结合的方法，其特征在于，包括有下列步骤：(a)准备加工材料粉末，所述加工材料粉末为混合包含有铜Cu、铟In、镓Ga及硒Se材料；
(b1)将所述加工材料粉末置入一模具中，所述模具包括有一作为母模的铝制靶背板、一框围在所述靶背板顶面的框模及一公模，所述靶背板固定于一底座上，所述靶背板顶面设有一凹槽，所述凹槽包括有一底部及一壁面，所述底部设有一第一粗糙结构，所述壁面设有一第二粗糙结构，所述公模底面具有一模仁，所述模仁轮廓形状与所述框模的框口相配合，所述靶背板的凹槽及所述框模围成一成型模穴，于所述成型模穴填入所述加工材料粉末，对所述加工材料粉末加热至硒的熔点温度，并予以加压，使铜、镓、铟及硒均匀化合而粘结一体后并与背板接合后冷却；及(c1)冷却后卸载所述公模、所述框模及所述底座，即完成靶材成型同时与所述靶背板接合的制造，并使包括有铜Cu、铟In、镓Ga及硒Se元素的所述靶材结合于所述铝制靶背板上；
所述准备加工材料粉末的步骤包括：
(a1)准备铜Cu、铟In、镓Ga及硒Se；
(a2)将铜Cu与铟In相互均匀混合，经多次真空热融、加压、冷却及研磨成粉的程式，而备制成铜/铟CuIn合金材料粉末；将铜Cu与镓Ga相互均匀混合，经多次真空热融、加压、冷却及研磨成粉的程式，而备制成铜/镓CuGa合金材料粉末；备妥硒Se粉末；及(a3)将所述铜/铟CuIn合金粉末、所述铜/镓CuGa合金粉末及所述硒材料粉末充分 混合而成所述加工材料粉末。
10.根据权利要求9所述的CIGS四元溅镀靶材成型同时与靶背板结合的方法，其特征在于：重复多次(b1)步骤中的加压程式。
11.根据权利要求9所述的CIGS四元溅镀靶材成型同时与靶背板结合的方法，其特征在于：所述凹槽的深度为2～3mm。
12.根据权利要求9所述的CIGS四元溅镀靶材成型同时与靶背板结合的方法，其特征在于：所述第一粗糙结构包括有呈交错分布的复数条纵向狭槽及复数条横向狭槽，所述第二粗糙结构为一沿着所述凹槽之轮廓环绕的凹沟，所述凹沟位于所述凹槽的壁面与底部交接处。
13.根据权利要求12所述的CIGS四元溅镀靶材成型同时与靶背板结合的方法，其特征在于：狭槽的深度为2～3mm，宽度约5mm，且二相邻的所述狭槽的间隔约15mm。
14.根据权利要求9所述的CIGS四元溅镀靶材成型同时与靶背板结合的方法，其特征在于：所述步骤(b1)中，将所述模具置于一真空腔室中进行加热及加压。
15.一种CIGS四元溅镀靶材的补充方法，其特征在于，包括有下列步骤：
(a)准备加工材料粉末，所述加工材料粉末系混合包含有铜Cu、铟In、镓Ga及硒Se；
(b2)将一使用过且仍结合有一靶背板的剩余靶材洗净，并置入一模具中，并将所述加工材料粉末置入所述模具中，所述模具包括有一作为母模的铝制背板、一框围在所述靶背板顶面的框模及一公模，所述靶背板固定于一底座上，所述靶背板顶面设有一凹槽，所述凹槽底部设有粗糙结构，所述公模底面具有一模仁，所述模仁轮廓形状与所述框模的框口相配合，所述靶背板的凹槽及所述框模围成一成型模穴，于所述成型模穴填入所述加工材料粉末，对所述加工材料粉末加热至少到硒的熔点温度，并予以加压，使铜Cu、镓Ga、铟In及硒Se均匀化合而粘结一体后并与所述剩余靶材融合后冷却；及(c2)冷却后卸载所述公模、所述框模及所述底座，即完成所述剩余靶材补料的制程；
所述准备加工材料粉末的步骤包括：
(a1)准备铜Cu、铟In、镓Ga及硒Se；
(a2)将铜Cu与铟In相互均匀混合，经多次真空热融、加压、冷却及研磨成粉的程式，而备制成铜/铟CuIn合金材料粉末；将铜Cu与镓Ga相互均匀混合，经多次真空热融、加压、冷却及研磨成粉的程式，而备制成铜/镓CuGa合金材料粉末；备妥硒Se粉末；及(a3)将所述铜/铟CuIn合金粉末、所述铜/镓CuGa合金粉末及所述硒材料粉末充分 混合而成所述加工材料粉末。
16.根据权利要求15所述的CIGS四元溅镀靶材的补充方法，其特征在于：重复多次(b2)步骤中的加压程式。
17.根据权利要求15所述的CIGS四元溅镀靶材的补充方法，其特征在于：步骤(b2)中，将所述模具置于一真空腔室中进行加热及加压。
说明书 :
CIGS太阳能光电四元溅镀靶材、其制法、其与靶背板结合
方法及其补料方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种CIGS太阳能光电四元溅镀靶材、其制法、其与靶背板结合方法及其补料方法，尤指一种铜Cu、铟In、镓Ga及硒Se分类调制成加工材料粉末，将加工材料粉末填充于模具内，通过一般的加热升温热融及加压程序，即可快速成型CIGS靶材，靶材成型同时与靶背板结合，及对靶材补料，而达到大幅简化加工程序，及降低成本的目的。
背景技术
[0002] 按目前所知铜铟镓硒CIGS型薄膜太阳能电池，其基本结构如图11所示，主要利用CIGS半导体薄膜作为光吸收层，以进行太阳光电转换，已被证实其光电转换效率是薄膜太阳能电池中效率最高，因而业界已竞相积极投入铜铟镓硒CIGS型薄膜太阳能电池的相关制造技术及设备的研发。现有CIGS薄膜太阳能电池量产技术，可依制程技术概分为二类，一类为利用真空溅镀制程或蒸镀制程制作CIGS薄膜光吸收层，另一类则是非真空制程技术(如电镀或印刷成膜技术)。
[0003] 目前所知的溅镀制程中有二：1)先以溅镀设备进行金属或合金薄膜镀膜，再利用硒化方式将金属或合金薄膜硒化形成CIGS薄膜光吸收层，但其光电转换效率较差；2)采用CIGS系靶材配合溅镀设备，直接在基板上溅镀以形成CIGS薄膜光吸收层，因具有较佳的光电转换效率而为业界积极竞相投入研发。其中，CIGS靶材常见使用的材料有CuInxGa1-xSySe2-y及CuInxAl1-xSySe2-y，例如台湾公开第200932933号及美国公开第
2005/0109293号专利案中所揭示的材料。再者，公知CIGS靶材的制造方法有如美国公开第
2005/0109293号专利案的共溅镀法，或如台湾公开第200932933号专利案的粉末治金法，其中粉末治金法须先制备CIGS系材料粉末，而其CIGS系材料粉末制备的技术溶剂热合成法(Solvothermal synthesis)，或由如台湾公开第200932679号及第200932933号化学湿式合成法(chemical refluxsynthesis method)所制得。然而，该等上述公知靶材制造技术，在靶材材料的制程方面便显得极为繁复，花费工时，而且有溶剂严重污染的问题。
2005/0109293号专利案中所揭示的材料。再者，公知CIGS靶材的制造方法有如美国公开第
2005/0109293号专利案的共溅镀法，或如台湾公开第200932933号专利案的粉末治金法，其中粉末治金法须先制备CIGS系材料粉末，而其CIGS系材料粉末制备的技术溶剂热合成法(Solvothermal synthesis)，或由如台湾公开第200932679号及第200932933号化学湿式合成法(chemical refluxsynthesis method)所制得。然而，该等上述公知靶材制造技术，在靶材材料的制程方面便显得极为繁复，花费工时，而且有溶剂严重污染的问题。
[0004] 再者，由于为了便于溅镀制程得以进行，靶材须与靶背板结合，通过靶背板的结构而使靶材得以挂载于溅镀设备的反应室之中。而公知技术中，都是将靶材与靶背板分别成型后，再利用软焊、硬焊、扩散接合或环氧树脂接着剂接合技术，而使靶材与靶背板相互接合，或是如美国第5,230,459号、公湾第287125号专利案所揭露的技术，是在靶背板表面形成粗糙面，将靶材贴迭后，通过对靶材加热，经热融陷入粗糙面，而使靶材与靶背板结合。再者，也有一种公知CIGS系靶材与靶背板接合技术，分别成型的靶材与靶背板之间置设一铟薄片材料，加热使铟薄片热融后而将靶材与靶背板接合。然而，无论上述何种接合技术，都是靶材与靶背板分别成型后，再利用上述的各种接合技术将二者接合，造成制造程序复杂，增加成本。本发明技术中，则在靶材成型过程中即可与靶背板一体成型，并能有效提升靶材与靶背板结合的牢固性。
[0005] 此外，由于靶材成本昂贵，若于靶材使用后，将剩余靶材丢弃，实为浪费。而目前公知将靶材回收再利用的方式，有针对铝合金溅镀靶材回收的技术被开发，例如台湾第483937号专利案的技术。由于公知靶材与靶背板分别成型，再利用接合技术而使二者接合，欲回收再利用，便须先将靶材与靶背板分离，再将靶材清洁后熔解重铸，且须将靶背板充份洗净，而后再将重铸的靶材与靶背板利用上述的接合技术重新接合，整个处理流程极为繁复，花费工时，大幅增加成本。本发明的技术中，可在靶材溅镀后消耗一部份所形成的空缺部位进行补料，即可再行利用。
发明内容
[0006] 本发明第一目的，在于提供一种可简便、快速地制造包括有铜Cu、铟In、镓Ga及硒Se等元素的纯化CIGS四元溅镀靶材的方法。
[0007] 为实现前述目的，本发明采取以下设计方案：(i)将铜与铟相互混合，经多次的真空热融、加压、冷却及研磨成粉的程序，而备制成铜/铟合金粉末；(ii)将铜与镓相互混合，经多次真空热融、加压、冷却及研磨成粉的程序，而备制成铜/镓合金粉末；(iii)并备妥硒Se粉末。而后，再将铜/铟合金粉末、铜/镓合金粉末及硒材料粉末充份混合而备制成加工材料粉末，直接将加工材料粉末填充于模具内，通过一般的加热升温热融及加压程序，快速成型包括有铜Cu、铟In、镓Ga及硒Se元素的靶材，或将模具置于真空腔体中，再通过一般的加热升温热融及加压程序，快速成型包括有铜Cu、铟In、镓Ga及硒Se相化合的靶材。
[0008] 具体步骤如下：
[0009] 一种CIGS四元溅镀靶材的制造方法，包括有下列步骤：
[0010] (a)准备加工材料粉末，所述加工材料粉末为混合包含有铜Cu、铟In、镓Ga及硒Se；
[0011] (b)将所述加工材料粉末置入一模具的模穴中，对所述加工材料粉末加热至少到硒的熔点温度，并予以多次加压，使铜Cu、镓Ga、铟In及硒Se均匀化合而粘结一体后再冷却；及
[0012] (c)冷却后卸载所述模具，即完成条块状的靶材制造，并使所述靶材包括有铜Cu、铟In、镓Ga及硒Se。
[0013] 上述的CIGS四元溅镀靶材的制造方法，其中：所述准备加工材料粉末的步骤包括：
[0014] (a1)准备铜Cu、铟In、镓Ga及硒Se；
[0015] (a2)将铜Cu与铟In相互均匀混合，经多次真空热融、加压、冷却及研磨成粉的程式，而备制成铜/铟CuIn合金材料粉末；将铜Cu与镓Ga相互均匀混合，经多次真空热融、加压、冷却及研磨成粉的程式，而备制成铜/镓CuGa合金材料粉末；备妥硒Se粉末；及[0016] (a3)将所述铜/铟CuIn合金粉末、所述铜/镓CuGa合金粉末及所述硒材料粉末充份混合而成所述加工材料粉末。
[0017] 上述的CIGS四元溅镀靶材的制造方法，其中：可重复多次(b)步骤所述的加压程式。
[0018] 上述的CIGS四元溅镀靶材的制造方法，其中：步骤(b)所述模具包括有一作为母模的铝制靶背板、一框围在所述靶背板顶面的框模及一公模，所述靶背板固定于一底座上，所述公模底面具有一模仁，所述模仁轮廓形状与所述框模的框口相配合，所述靶背板及所述框模围成一成型模穴，于所述成型模穴填入所述加工材料粉末。
[0019] 上述的CIGS四元溅镀靶材的制造方法，其中：所述铝制靶背板顶面设有一凹槽，所述凹槽为所述成型模穴的一部份，所述凹槽包括有一壁面及一底部，所述底部设有一第一粗糙结构，所述壁面设有一第二粗糙结构。
[0020] 上述的CIGS四元溅镀靶材的制造方法，其中：所述凹槽的深度为2～3mm。
[0021] 上述的CIGS四元溅镀靶材的制造方法，其中：所述第一粗糙结构包括有呈交错分布的复数条纵向狭槽及复数条横向狭槽，所述第二粗糙结构为一沿着所述凹槽的轮廓环绕的凹沟，所述凹沟位于所述凹槽的壁面与底部交接处。
[0022] 上述的CIGS四元溅镀靶材的制造方法，其中：所述狭槽的深度为2～3mm，宽度约5mm，且二相邻的所述狭槽的间隔约15mm。
[0023] 上述的CIGS四元溅镀靶材的制造方法，其中：所述步骤(b)中，可将所述模具置于一真空腔室中进行加热及加压。
[0024] 本发明第二目的，在提供一种可简便、快速地制造包括有铜Cu、铟In、镓Ga及硒Se等元素的纯化CIGS四元溅镀靶材，且在靶材成型的同时得与靶背板结合为一体的方法。
[0025] 为实现前述目的，本发明采取以下设计方案：利用上述的加工材料粉末，配合特别选用的靶背板材质及靶背板的结构设计，将靶背板承载靶材的顶面做为模具的模穴的一部份，使加工材料粉末在经过热融、加压及冷却的程序后，即可使靶材成型并直接与靶背板结合为一体。
[0026] 具体步骤如下：
[0027] 一种CIGS四元溅镀靶材成型同时与靶背板结合的方法，包括有下列步骤：
[0028] (a)准备加工材料粉末，所述加工材料粉末为混合包含有铜Cu、铟In、镓Ga及硒Se材料；
[0029] (b1)将所述加工材料粉末置入一模具中，所述模具包括有一作为母模的铝制靶背板、一框围在所述靶背板顶面的框模及一公模，所述靶背板固定于一底座上，所述靶背板顶面设有一凹槽，所述凹槽包括有一底部及一壁面，所述底部设有一第一粗糙结构，所述壁面设有一第二粗糙结构，所述公模底面具有一模仁，所述模仁轮廓形状与所述框模的框口相配合，所述靶背板的凹槽及所述框模围成一成型模穴，于所述成型模穴填入所述加工材料粉末，对所述加工材料粉末加热至硒的熔点温度，并予以加压，使铜、镓、铟及硒均匀化合而粘结一体后并与背板接合后冷却；及
[0030] (c1)冷却后卸载所述公模、所述框模及所述底座，即完成靶材成型同时与所述靶背板接合的制造，并使包括有铜Cu、铟In、镓Ga及硒Se元素的所述靶材结合于所述铝制靶背板上。
[0031] 上述的CIGS四元溅镀靶材成型同时与靶背板结合的方法，其中：所述准备加工材料粉末的步骤包括：
[0032] (a1)准备铜Cu、铟In、镓Ga及硒Se；
[0033] (a2)将铜Cu与铟In相互均匀混合，经多次真空热融、加压、冷却及研磨成粉的程式，而备制成铜/铟CuIn合金材料粉末；将铜Cu与镓Ga相互均匀混合，经多次真空热融、加压、冷却及研磨成粉的程式，而备制成铜/镓CuGa合金材料粉末；备妥硒Se粉末；及[0034] (a3)将所述铜/铟CuIn合金粉末、所述铜/镓CuGa合金粉末及所述硒材料粉末充份混合而成所述加工材料粉末。
[0035] 上述的CIGS四元溅镀靶材成型同时与靶背板结合的方法，其中：可重复多次(b1)步骤中的加压程式。
[0036] 上述的CIGS四元溅镀靶材成型同时与靶背板结合的方法，其中：所述凹槽的深度为2～3mm。
[0037] 上述的CIGS四元溅镀靶材成型同时与靶背板结合的方法，其中：所述第一粗糙结构包括有呈交错分布的复数条纵向狭槽及复数条横向狭槽，所述第二粗糙结构为一沿着所述凹槽之轮廓环绕的凹沟，所述凹沟位于所述凹槽的壁面与底部交接处。
[0038] 上述的CIGS四元溅镀靶材成型同时与靶背板结合的方法，其中：狭槽的深度为2～3mm，宽度约5mm，且二相邻的所述狭槽的间隔约15mm。
[0039] 上述的CIGS四元溅镀靶材成型同时与靶背板结合的方法，其中：所述步骤(b1)中，可将所述模具置于一真空腔室中进行加热及加压。
[0040] 本发明第三目的，在提供一种可简便、快速地制造包括有铜Cu、铟In、镓Ga及硒Se等元素的纯化CIGS四元溅镀靶材，及令使用过的靶材经由简单程序，即可补充材料至原来所需规格形状，而可供继续使用。
[0041] 为实现前述目的，本实用新型采取以下设计方案：利用上述的加工材料粉末，以及上述第二目的的原理，将使用过且结合有靶背板的靶材清洁后，将之加入模具，再将加工材料粉末填入模穴空缺的部份，经过热融、加压及冷却的程序，或将模具置于真空腔体内经热融、加压及冷却的程序后，即可使靶材补充至所需规格的尺寸大小，继续供使用。
[0042] 具体步骤如下：
[0043] 一种CIGS四元溅镀靶材的补充方法，包括有下列步骤：
[0044] (a)准备加工材料粉末，所述加工材料粉末系混合包含有铜Cu、铟In、镓Ga及硒Se；
[0045] (b2)将一使用过且仍结合有一靶背板的剩余靶材洗净，并置入一模具中，并将所述加工材料粉末置入所述模具中，所述模具包括有一作为母模的铝制背板、一框围在所述靶背板顶面的框模及一公模，所述靶背板固定于一底座上，所述靶背板顶面设有一凹槽，所述凹槽底部设有粗糙结构，所述公模底面具有一模仁，所述模仁轮廓形状与所述框模的框口相配合，所述靶背板的凹槽及所述框模围成一成型模穴，于所述成型模穴填入所述加工材料粉末，对所述加工材料粉末加热至少到硒的熔点温度，并予以加压，使铜Cu、镓Ga、铟In及硒Se均匀化合而粘结一体后并与所述剩余靶材融合后冷却；及
[0046] (c2)冷却后卸载所述公模、所述框模及所述底座，即完成所述剩余靶材补料的制程。
[0047] 上述的CIGS四元溅镀靶材的补充方法，其中：所述准备加工材料粉末的步骤包括：
[0048] (a1)准备铜Cu、铟In、镓Ga及硒Se；
[0049] (a2)将铜Cu与铟In相互均匀混合，经多次真空热融、加压、冷却及研磨成粉的程式，而备制成铜/铟CuIn合金材料粉末；将铜Cu与镓Ga相互均匀混合，经多次真空热融、加压、冷却及研磨成粉的程式，而备制成铜/镓CuGa合金材料粉末；备妥硒Se粉末；及[0050] (a3)将所述铜/铟CuIn合金粉末、所述铜/镓CuGa合金粉末及所述硒材料粉末充份混合而成所述加工材料粉末。
[0051] 上述的CIGS四元溅镀靶材的补充方法，其中：可重复多次(b2)步骤中的加压程式。
[0052] 上述的CIGS四元溅镀靶材的补充方法，其中：步骤(b2)中，可将所述模具置于一真空腔室中进行加热及加压。
[0053] 本发明的优点及有益效果：
[0054] 1.本发明先行分类调配成铜/铟合金粉末、铜/镓合金粉末，再将它们与硒粉末调制成加工粉末，可解决硒与镓或铟直接混合的困难及所产生剧毒或爆炸的问题，使得直接以材料粉末经热融及加压而模制成型CIGS四元溅镀靶材得以付诸实行，进而大幅简化制程及降低成本。
[0055] 2.本发明除了第1优点所述，可直接以材料粉末经热融及加压而模制成型CIGS四元溅镀靶材之外，又将靶背板设计为模具的一部份，在材料粉末于模具中热融成型靶材的同时，靶材即直接与靶背板结合，进而可大幅简化制程及降低成本，及较公知胶合方式而可提高结合牢固性，尤其较美国第5,230,459号专利案虽设有粗糙结构，但仍是分别成型靶材与靶背板后，再将靶材与靶背板热融接合的技术，更可提高靶材与靶背板结合的牢固性。
[0056] 3.本发明如第2优点所述，可直接以材料粉末经热融及加压而模制成型CIGS四元溅镀靶材，且设计靶材及靶背板为模具的一部份，只要将剩余靶材连同靶背板与公模、框模结合，于模穴填入加工材料粉末，经一般的热融、加压及冷却程序，即可使靶材补齐，且仍与靶背板保持结合，大幅简化回收再利用的制程。
[0057] 为便于审查员详细理解及本领域技术人员能据以实施，兹将上述三项特点的具体实施例详述如后。
附图说明
[0058] 图1为本发明加工材料粉末的制备流程示意图；
[0059] 图2为本发明靶材的第一种制程实施例示意图；
[0060] 图3为本发明第一种制程实施例所制得的靶材示意图；
[0061] 图4为本发明第二种制程实施例所采用的靶背板示意图；
[0062] 图5为本发明第二种制程实施例所采用的模具示意图；
[0063] 图6为图5中A-A圆的放大示意图；
[0064] 图7为本发明第二种制程实施例的流程示意图；
[0065] 图8为本发明第二种制程实施例所制得的靶材示意图；
[0066] 图9为本发明第三种制程实施例的流程示意图；
[0067] 图10为本发明第三种制程实施例所制得的靶材示意图；
[0068] 图11为公知CIGS型薄膜太阳能电池结构示意图；及
[0069] 图12为本发明结合有靶背板的靶材实际成品照片。
具体实施方式
[0070] 一、本发明的特色及原理：
[0071] 本发明技术的主要特点有以下三个：
[0072] 第一、是制造一种包括有铜Cu、铟In、镓Ga及硒Se元素的CIGS四元溅镀靶材的方法：其利用如下所述的特殊的材料配方预先分类调配而制成粉末，再将各分类粉末充份混合成成型加工材料粉末，使其直接以加工材料粉末填充于模具内，或可再将模具置于真空腔体内，再通过一般的加热升温热融及加压程序，即可快速成型包括有铜Cu、铟In、镓Ga及硒Se元素的靶材，大幅简化加工程序，及降低成本。
[0073] 第二、是在靶材成型的同时得与靶背板结合为一体：其利用上述的加工材料粉末，配合特别选用的靶背板材质及靶背板的结构设计，将靶背板承载靶材的顶面作为模具的模穴的一部份，将加工材料粉末填入模具的模穴，可将模具置于真空腔室中，经过热融、加压及冷却的程序后，可使加工材料粉末在模穴中成形靶材，同时可使靶材直接与靶背板结合为一体，大幅简化加工程序。
[0074] 第三、则是使用过的靶材可经由补充材料而可供继续使用：其利用上述的加工材料粉末，以及上述第二项特点的原理，将使用过且结合有靶背板的靶材清洁后，将之加入模具，再将加工材料粉末填入模穴空缺的部份，并可将模具置于真空腔体中，再经过热融、加压及冷却的程序后，即可使靶材补充至所需规格的尺寸大小，大幅简化回收再利用的程序。
[0075] 二、本发明CIGS四元溅镀靶材的制造方法
[0076] 1、开发原由
[0077] 如图1至3所示，本发明特别是针对包括有铜Cu、铟In、镓Ga及硒Se等元素的CIGS四元溅镀靶材而研发，此四元溅镀靶材是供溅镀成型太阳能光电薄膜之用。由于一般公知CIGS系靶材如本说明书中的背景所记载的前案所示，主要都是采用前述元素的化合物，利用繁复的化学反应的方式而制成CIGS系靶材，造成其制造成本大幅提升。于是，本发明人研究直接以材料粉末经热融及加压而模制成型，用以大幅简化制程，降低成本。而经长时间的研究、试验与发开，终有本发明的研发成果。
[0078] 2.问题的解决
[0079] 根据实验所知，铟In或镓Ga直接与硒Se混合，至熔解时，会产生剧烈反应，量大时会产生爆炸及产生剧毒，而且由于镓的熔点极低，在一般的加工环境温度中不易调制成粉末。为了克服、解决上述的问题，使该等元素以粉末方式加工成型复合靶材可以付诸实现。本发明人乃设计：(i)将铜与铟相互混合，经多次真空热融、加压、冷却及研磨成粉的程序，而备制成铜/镓合金粉末；(ii)将铜与镓相互混合，经多次真空热融、加压、冷却及研磨成粉的程序，而备制成铜/镓合金粉末；(iii)并备妥硒Se粉末。而后，再将铜/铟合金粉末、铜/镓合金材料及硒材料粉末充份混合而备制成加工材料粉末，此一加工材料粉末，经过实验后，既不会产生剧毒及爆炸的问题，又可供热融加压成型靶材。
[0080] 3.具体实施例
[0081] 如图1至图3所示，本发明CIGS四元溅镀靶材的制造方法，具体实施例包括有下列步骤：
[0082] (a)准备铜Cu、铟In、镓Ga及硒Se等四种元素材料。
[0083] (b1)将铜Cu与铟In相互混合，经多次真空热融、加压、冷却及研磨成粉的程序，而备制成铜/铟CuIn合金材料粉末10；将铜Cu与镓Ga相互混合，经多次真空热融、加压、冷却及研磨，而备制成铜/镓CuGa合金材料粉末20；若所准备的硒为固体，则将硒Se固体30研磨成粉末31。
[0084] (c1)将铜/铟CuIn合金粉末10、铜/镓CuGa合金粉末20及硒Se材料粉末31充份混合而备制成加工材料粉末40。
[0085] (d1)将该加工材料粉末40置入模具50的模穴51中，对该加工材料粉末40加热至硒的熔点温度，并予以加压，使加工材料粉末40中的铜、铟、镓及硒均匀化合而粘结成一体后再冷却，其中，可重复多次(d1)步骤中的加压动作，以使混合更为均匀及密实。
[0086] (e1)冷却后卸除该模具50，即完成条块状的靶材60制造，并使该靶材60包含有铜Cu、铟In、镓Ga及硒Se。
[0087] 4.实验例
[0088] 本发明CIGS四元溅镀靶材的制造方法的实验例，取铜Cu 44.48重量份与铟In80.37重量份相互均匀混合，经多次真空热融-加压-冷却-研磨成粉的程序，而备制成粒径约为74μm的铜/铟CuIn合金材料粉末10。将铜Cu19.06重量份与20.92重量份的镓Ga相互均匀混合，经多次真空热融-加压-冷却-研磨成粉的程序，而备制成粒径约为74μm的铜/镓CuGa合金材料粉末20。取100重量份的铜/铟CuIn合金粉末10、100重量份的铜/镓CuGa合金粉末20及157.92重量份的硒Se材料粉末31充份混合而备制成加工材料粉末40。如图1至图3所示，将该加工材料粉末40置入模具50的模穴51中，对该加工材料粉末40加热至约硒的熔点温度217℃，模具50的公模54进给加压三次，经冷却后，卸除模具，即完成1400×120×7mm的条块状的靶材制造，且靶材包含有铜Cu、铟In、镓Ga及硒Se元素，且靶材的铜、镓、铟及硒的摩尔数比约为1∶0.7∶0.3∶2。在此特别强调，上述的摩尔数比并非为本发明所要论究的重点，其摩尔数的比例值，可依使用者在溅镀制程中，对于太阳能发电效率及成本对应考虑的需要，来调整上调配粉末中各材料的重量比例，而且也可再透过具有硒化功能的热处理，以提升太阳光电转换效率。
[0089] 三、本发明CIGS四元溅镀靶材与靶背板结合的方法
[0090] 1.开发原由
[0091] 如上述本发明所研发的靶材，为包括有铜Cu、铟In、镓Ga及硒Se等元素的CIGS四元溅镀靶材。按公知技术中的CIS系或CIGS系靶材或其他靶材，都须与靶背板接合，才能供溅镀之用。而公知先分别成型靶材与靶背板，再将靶材与靶背板接合，例如前述背景所提的专利前案。公知技术中，都必须利用间接材料，利用间接材料热融后使靶材与靶背板接合，例如CIS系或CIGS系靶材，是在靶材与靶背板之间介置铟In薄片材料，将铟热融后而使靶材与靶背板接合，然而，介置的铟会造成分布不均，以致靶材无法与靶背板稳固有效地接合。此外，若是采用铜制靶背板，硒Se粉末覆于铜制靶背板的接合面时，在热融及冷却后，靶背板与靶材相接处的硒粉末与铜制靶背板热融化合时，其化合的铜硒合金会呈粉末化，因而发生靶材无法与靶背板确实接合的问题。于是，本发明人研究，在以加工材料粉末经热融及加压而模制成型的同时，特别采用铝制靶背板，将铝制靶背板作为模具的一部份，使靶材直接成型在靶背板上，即可本发明的靶材直接与靶背板结合，大幅简化二者结合的制程，而且因硒粉末于低温中只会与铜、铟、镓化合，而不会与铝化合，故可避免靶材与靶背板接合处形成粉末化的情形，故可确保靶材与靶背板牢固结合，而且二者结合的精确度及牢固性都可确保。
[0092] 2.问题的解决
[0093] 公知技术，分别成型靶材与靶背板，再利用焊接、扩散接合或以间接材料而使二者接合，制程较为繁复，而且仍有接合不牢固的缺失，且会造成整个靶材材料不均匀的现象。再者，根据学识及本发明人试验所知，硒粉末填覆在铜制靶背板上，其经热融与铜化合而于冷却后会形粉末化，而造成靶材与靶背板接合处粉末化，而无法有效接合。为了克服、解决上述的问题。本发明人将靶背板设计为模具的一部份，将铜/铟合金粉末、铜/镓合金材料及硒材料粉末充份混合所备制成的加工材料粉末填入模具，经一般的热融、加压及冷却程序，即可成型靶材，同时使靶材直接结合于靶背板上，整体制程简化，无需再使用间接材料，而且针对CIGS系的加工材料粉末模制成靶材的技术，本发明所采用的靶背板是以铝材制成，硒粉末于低温中不会与铝化合，故可避免靶材与靶背板接合处产生粉末化，并可确保靶材成份均匀、精度高及与靶背板牢固结合，进而彻底解决上述问题。
[0094] 3.具体实施例
[0095] 如图1及4至8所示，本发明CIGS四元溅镀靶材与靶背板结合的制造方法的具体实施例，包括有下列步骤：
[0096] (a)准备铜Cu、铟In、镓Ga及硒Se等四种元素材料；
[0097] (b2)将铜Cu与铟In相互均匀混合，经多次真空热融、加压、冷却及研磨成粉的程序，而备制成铜/铟CuIn合金材料粉末10；将铜Cu与镓Ga相互均匀混合，经多次真空热融、加压、冷却及研磨成粉的程序，而备制成铜/镓CuGa合金材料粉末20；若所准备的硒为固体，则将硒Se固体30研磨成粉末31。
[0098] (c2)将铜/铟CuIn合金粉末10、铜/镓CuGa合金粉末20及硒Se材料粉末31充份混合而备制成加工材料粉末40。
[0099] (d2)将该加工材料粉末40置入模具50中，该模具50包括有一作为母模的铝制靶背板52、一框围在靶背板52顶面的框模53及一公模54，靶背板52固定于一底座55上，靶背板52顶面设有一凹槽520，凹槽520底部设有粗糙结构521，该公模54底面具有一模仁540，模仁540轮廓形状与框模53的框口530相配合，靶背板52的凹槽520及框模53围成一成型模穴51，于成型模穴51填入加工材料粉末40，或可将模具50置于真空腔体中，再对模穴51中的加工材料粉末40加热至少到硒的熔点温度，并予以加压多次，使铜、镓、铟及硒均匀化合并粘结一体而成型靶材60，同时与靶背板52结合后冷却。
[0100] (e2)冷却后卸除公模54、框模53及底座55，即完成靶材成型同时与靶背板52结合的制程，并使该靶材60由铜Cu、铟In、镓Ga及硒Se所构成并结合于铝制靶背板52上。
[0101] 4.实验例
[0102] 如图1及4至8所示，本发明CIGS四元溅镀靶材与靶背板结合的制造方法的实验例，取铜Cu 44.48重量份与铟In粉末80.37重量份相互均匀混合，经多次真空热融、加压、冷却及研磨，而备制成粒径约为74μm的铜/铟CuIn合金材料粉末10。将铜Cu19.06重量份与20.92重量份的镓Ga相互均匀混合，经多次真空热融、加压、冷却及研磨成粉的程序，而备制成粒径约为74μm的铜/镓CuGa合金材料粉末20。取100重量份的铜/铟CuIn合金粉末10、100重量份的铜/镓CuGa合金粉末20及157.92重量份的硒Se材料粉末31充份混合而备制成加工材料粉末40。
[0103] 备制一模具，其包括有一1450×180×10mm的且作为母模的铝制靶背板52、一框围在靶背板52顶面的框模53及一公模54；靶背板52固定于一底座55上，其顶面设有一深度为2mm的凹槽520(一般实施的深度范围可为2～3mm)，凹槽520的底部520a设有第一粗糙结构521，第一粗糙结构521包括有呈交错分布的复数条纵向狭槽522及复数条横向狭槽523，狭槽522/523的深度为3mm(一般实施的深度范围可为2～3mm)，宽度约5mm，且二相邻之狭槽522/523的间隔约15mm(一般实施的深度范围可为15～20mm)，且凹槽520的壁面520b设有第二粗糙结构524，其第二粗糙结构524为一沿着凹槽520轮廓环绕的凹沟525，凹沟525位于凹槽520的壁面520b与底部520a交接处，如图6的图示例中的凹沟525的横断面呈V字形；公模54底面具有一模仁540，模仁540轮廓形状与框模53的框口
530相配合，靶背板52的凹槽520及框模53围成一成型模穴51。将加工材料粉末40置入模具50的模穴51中，对加工材料粉末40加热至硒的熔点温度，模具50的公模54进给加压三次，经冷却后，卸除公模54与框模53，即完成1400×120×7mm的条块状的靶材60成型同时与做为母模的铝制靶背板52结合的制程，其成品如图8及附件一所示，靶材60包含有铜Cu、铟In、镓Ga及硒Se元素，且靶材60的铜、铟、镓及硒的摩尔数比为1∶0.7∶0.3∶2。
在此再次强调，上述的摩尔数比并非为本发明所要论究的重点，其摩尔数的比例值，可依使用者在溅镀制程中，对于太阳能发电效率及成本对应考虑的需要，来调整上述调配粉末中各材料的重量比例。再者，由于本实验例中，靶背板凹槽的底部及侧壁各设有粗糙结构，加工材料粉末不仅有效填入粗糙结构中，在冷却硬化后可与这些粗糙结构有效结合，故可大幅地提高结合的牢固性。
530相配合，靶背板52的凹槽520及框模53围成一成型模穴51。将加工材料粉末40置入模具50的模穴51中，对加工材料粉末40加热至硒的熔点温度，模具50的公模54进给加压三次，经冷却后，卸除公模54与框模53，即完成1400×120×7mm的条块状的靶材60成型同时与做为母模的铝制靶背板52结合的制程，其成品如图8及附件一所示，靶材60包含有铜Cu、铟In、镓Ga及硒Se元素，且靶材60的铜、铟、镓及硒的摩尔数比为1∶0.7∶0.3∶2。
在此再次强调，上述的摩尔数比并非为本发明所要论究的重点，其摩尔数的比例值，可依使用者在溅镀制程中，对于太阳能发电效率及成本对应考虑的需要，来调整上述调配粉末中各材料的重量比例。再者，由于本实验例中，靶背板凹槽的底部及侧壁各设有粗糙结构，加工材料粉末不仅有效填入粗糙结构中，在冷却硬化后可与这些粗糙结构有效结合，故可大幅地提高结合的牢固性。
[0104] 四、本发明CIGS四元溅镀靶材回收补料再利用的方法
[0105] 1.开发原由
[0106] 如上述本发明所研发的靶材，为包括有铜Cu、铟In、镓Ga及硒Se等元素化合的CIGS四元溅镀靶材。而按公知技术中CIS系或CIGS系靶材或其他靶材，都须将靶材与靶背板接合，才能附挂于溅镀设备的反应室中以供溅镀之用，而使用后则须将剩余靶材自靶背板上拆下，再于原靶背板上接上新的靶材，例如上述背景所提的专利前案所揭露的技术。公知技术中，自靶背板上拆卸剩余靶材，清除靶背板上的中间粘接材，再接合装新靶材，整体程序繁复，增加工时，剩余靶材处理再利用也极为不易，而且接合时仍会产生上述的问题。于是，本发明人研究，不须将靶材与靶背板拆离，而将之清洁后，直接置入模具中，填入加工材料粉末，如同上述本发明加工制程，经热融、加压及冷却，即可使剩余靶材补上材料而成完整的靶板，而可达到快速回收重新利用的功效。
[0107] 2.问题的解决
[0108] 公知技术，是将剩余靶材自靶背板上拆离，再利用间接材料于原有靶背板上接上靶材，造成制程繁复，接合不牢固，靶材材料不均匀，及靶背板清理与剩余靶材处理不易等缺陷。为了解决上述的问题，本发明人特别调配的加工材料粉末，使CIGS四元溅镀靶材可直接模制成型，而且将靶背板设计为模具的一部份，故只要将剩余靶材连同靶背板加入模具，于模穴填入加工材料粉末，经一般的热融、加压及冷却程序，即可使靶材补齐，且仍与靶背板保持结合，大幅简化制程，而可彻底解决上述问题。
[0109] 3.具体实施例
[0110] 如图1、9及10所示，本发明CIGS四元溅镀靶材回收补料再利用的方法，主要包括有下列步骤：
[0111] (a)准备铜Cu、铟In、镓Ga及硒Se等四种元素材料；
[0112] (b3)将铜Cu与铟In相互均匀混合，经多次真空热融、加压、冷却及研磨成粉的程序，而备制成铜/铟CuIn合金材料粉末10；将铜Cu与镓Ga相互均匀混合，经多次真空热融、加压、冷却及研磨成粉的程序，而备制成铜/镓CuGa合金材料粉末20；若所准备的硒为固体，则将硒Se固体30研磨成粉末31。
[0113] (c3)将铜/铟CuIn合金粉末10、铜/镓CuGa合金粉末20及硒Se材料粉末31充份混合而备制成加工材料粉末40。
[0114] (d3)将一使用过的并结合在一靶背板52上的CIGS靶材61清洁，并置入模具50中，并将加工材料粉末40置入模具50中，该模具50包括有作为母模的该背板52、一框围在靶背板52顶面的框模53及一公模54，靶背板52固定于一底座55上，靶背板52顶面设有一凹槽520，凹槽520底部设有粗糙结构521，公模54底面具有一模仁540，模仁540轮廓形状与框模53的框口530相配合，靶背板52的凹槽520及框模53围成一成型模穴51，于该成型模穴51填入加工材料粉末40，对加工材料粉末40加热至硒的熔点温度，并予以多次加压，使铜、铟、镓及硒均匀化合粘结一体后并与剩余的靶材融合后冷却。
[0115] (e3)冷却后卸除公模、框模及底座，即完成靶材补料成所需规格尺寸的加工程序，而可继续供使用。
[0116] 4.实验例
[0117] 如图1、9及10所示，本发明CIGS四元溅镀靶材回收补料再利用的实验例，取铜Cu44.48重量份与铟In 80.37重量份相互均匀混合，经多次真空热融、加压、冷却及研磨成粉的程序，而备制成粒径约为74μm的铜/铟CuIn合金材料粉末10。将铜Cu 19.06重量份与20.92重量份的镓Ga相互均匀混合，经多次真空热融、加压、冷却及研磨成粉的程序，而备制成粒径约为74μm的铜/镓CuGa合金材料粉末20。取100重量份的铜/铟CuIn合金粉末10、100重量份的铜/镓CuGa合金粉末20及157.92重量份的硒Se材料粉末31充份混合而备制成加工材料粉末40。
[0118] 备制一模具50，其包括有一框模53及一公模54；并以一结合有剩余的靶材61的靶背板52作为母模，靶背板52固定于一底座55上；公模54底面具有一模仁540，模仁540轮廓形状与框模53的框口530相配合，靶材61、靶背板52及框模53围成一成型模穴51。将加工材料粉末40置入成型模穴51中，对加工材料粉末40加热至硒的熔点温度，模具50的公模54进给加压一次，冷却后，再一次加热至硒的熔点温度，并控制公模54再进给加压一次，经冷却后，卸除公模54与框模53，即完成使靶材61补齐至呈所需规格的条块状的制程，其靶材包括有铜Cu、铟In、镓Ga及硒Se元素，且靶材的铜、铟、镓及硒的摩尔数比为
1∶0.7∶0.3∶2，故可控制与原来剩余靶材的成份及摩尔数相同，而且靶材61与靶背板
52仍牢固结合，而可继续使用。
1∶0.7∶0.3∶2，故可控制与原来剩余靶材的成份及摩尔数相同，而且靶材61与靶背板
52仍牢固结合，而可继续使用。
[0119] 五、结论
[0120] 通过上述的具体实施例及实验例的详细说明，可归纳本发明具有下列几个主要优点：
[0121] 1.本发明先行分类调配成铜/铟合金粉末、铜/镓合金粉末，再将它们与硒粉末调制成加工粉末，可解决硒与镓或铟直接混合的困难及所产生剧毒或爆炸的问题，使得直接以材料粉末经热融及加压而模制成型CIGS四元溅镀靶材得以付诸实行，进而大幅简化制程及降低成本。
[0122] 2.本发明除了第1优点所述，可直接以材料粉末经热融及加压而模制成型CIGS四元溅镀靶材之外，又将靶背板设计为模具的一部份，在材料粉末于模具中热融成型靶材的同时，靶材即直接与靶背板结合，进而可大幅简化制程及降低成本，及较公知胶合方式而可提高结合牢固性，尤其较美国第5,230,459号专利案虽设有粗糙结构，但仍是分别成型靶材与靶背板后，再将靶材与靶背板热融接合的技术，更可提高靶材与靶背板结合的牢固性。
[0123] 3.本发明如第2优点所述，可直接以材料粉末经热融及加压而模制成型CIGS四元溅镀靶材，且设计靶材及靶背板为模具的一部份，只要将剩余靶材连同靶背板与公模、框模结合，于模穴填入加工材料粉末，经一般的热融、加压及冷却程序，即可使靶材补齐，且仍与靶背板保持结合，大幅简化回收再利用的制程。
[0124] 以上所述，仅为本发明可行的具体实施例，并非用以限定本发明的专利范围。