電子束蒸發(fā)制備CdS多晶薄膜及性質(zhì)分析

電子束蒸發(fā)制備CdS多晶薄膜及性質(zhì)分析CdTe薄膜太陽(yáng)電池是目前光伏領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),其產(chǎn)業(yè)化正在穩(wěn)步推進(jìn)。然而,目前規(guī)?；a(chǎn)的CdTe太陽(yáng)電池的實(shí)際轉(zhuǎn)換效率僅到達(dá)8%～11%之間,與傳統(tǒng)Si太陽(yáng)電池相比仍有較大差距。作為進(jìn)一步提高CdTe太陽(yáng)電池整體性能的措施之一,改良電池的頂層材料—硫化鎘薄膜(CdS)已引起大家的關(guān)注。CdS薄膜禁帶寬度約為2.42eV,能允許絕大部分的可見(jiàn)光透過(guò),被廣泛地用作薄膜太陽(yáng)電池的窗口層。實(shí)際應(yīng)用時(shí),CdS薄膜的結(jié)晶狀態(tài)、表面形貌和可見(jiàn)光透過(guò)特性是衡量其性能優(yōu)劣的主要參數(shù)。

在傳統(tǒng)CdTe太陽(yáng)電池的制作中,常用化學(xué)水浴法(CBD)沉積CdS薄膜,吸收層CdTe薄膜由近空間升華法(CSS)法制備,并取得了較好的效果。然而,這種干法和濕法結(jié)合的太陽(yáng)電池制作工藝較為繁瑣,不利于流水線作業(yè)。從太陽(yáng)電池的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方向來(lái)看,采用全干工藝制作太陽(yáng)電池是發(fā)展的目標(biāo)。因此,人們已開(kāi)始嘗試全干工藝制作CdTe太陽(yáng)電池,而其中的關(guān)鍵就是CdS薄膜的干法制備,目前報(bào)道的有磁控濺射、近空間升華法等。值得指出的是,干法制備的CdS薄膜用于CdTe太陽(yáng)電池的制作時(shí),轉(zhuǎn)換效率一直低于傳統(tǒng)的CBD方法,有必要對(duì)干法工藝的類型和工藝參數(shù)開(kāi)展詳細(xì)研究,以推進(jìn)太陽(yáng)電池的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。其中,電子束蒸發(fā)法具有工藝簡(jiǎn)單,成膜速度快,可采用大面積基片等優(yōu)點(diǎn),但用來(lái)制備CdS薄膜卻鮮有報(bào)道。為此,本文采用電子束蒸發(fā)制備了CdS薄膜,并對(duì)其性能開(kāi)展表征,以探索該工藝的可行性,為工業(yè)化的大面積CdTe太陽(yáng)電池制作提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。1、實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用JT-500型高真空電子束蒸發(fā)系統(tǒng)沉積CdS薄膜。在高真空下開(kāi)展薄膜的沉積,由渦輪分子泵實(shí)現(xiàn)真空,本底真空度為4×10-3Pa。選用普通的載玻片作為襯底,通過(guò)鹵鎢燈對(duì)襯底開(kāi)展加熱,調(diào)節(jié)鹵鎢燈電流,將襯底溫度控制在100℃到200℃之間。此外,在真空室里薄膜沉積時(shí)襯底維持旋轉(zhuǎn),以提高薄膜的均勻性。蒸發(fā)材料放置于坩堝內(nèi),使用純度為99.995%的CdS小塊材料。電子束蒸發(fā)的電子槍束流和電壓分別維持在30mA和6.5kV,蒸發(fā)時(shí)間2min。

本文采用***方圓儀器公司的DX-2000型X射線衍射儀對(duì)樣品的構(gòu)造開(kāi)展表征。銅靶(Kα線,波長(zhǎng)0.15418nm),掃描范圍0°～90°,掃描速度為0.06°/s;采用日立S24800冷場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)樣品表面形貌開(kāi)展了觀察;薄膜的紫外-可見(jiàn)透過(guò)譜采用島津公司生產(chǎn)的UV-2100紫外分光光度計(jì)開(kāi)展測(cè)量。2、結(jié)果與討論2.1、CdS多晶薄膜構(gòu)造分析

作為窗口層材料,CdS薄膜的結(jié)晶狀態(tài)對(duì)CdTe太陽(yáng)電池的串聯(lián)電阻、缺陷態(tài)密度、透過(guò)率等有決定性的影響,進(jìn)而影響到電池的整體性能。一般來(lái)說(shuō),結(jié)晶度高的CdS薄膜有利于降低電池頂區(qū)缺陷,改善頂區(qū)的有效光生載流子收集,同時(shí)也能降低太陽(yáng)電池的串聯(lián)電阻。

圖1為制備的CdS薄膜的X射線衍射譜。由圖中可看到,不同襯底溫度下沉積的CdS薄膜呈現(xiàn)出了〈002〉晶向的高度擇優(yōu)取向生長(zhǎng),顯示薄膜結(jié)晶度較高,有利于減少非晶相所形成的缺陷態(tài)密度和晶界缺陷,改善CdS薄膜的光透過(guò)性能。隨著襯底溫度的升高,薄膜中還逐漸出現(xiàn)一些其它衍射峰,如〈103〉、〈004〉、〈105〉等。值得注意的是〈,002〉晶向的衍射峰強(qiáng)度隨著襯底溫度的升高而增強(qiáng),并且始終處于優(yōu)勢(shì)地位,暗示薄膜中該生長(zhǎng)晶向含量上升。可見(jiàn),電子束蒸發(fā)制備的CdS薄膜是多晶構(gòu)造,屬于六方相。實(shí)際上,立方相和六方相的CdS薄膜均可用作CdTe太陽(yáng)電池的窗口層,但后者更穩(wěn)定,因而更適合作為窗口層。本實(shí)驗(yàn)制備的CdS薄膜在大氣中放置半年時(shí)間后,經(jīng)檢查未見(jiàn)薄膜脫落,其表面形貌和構(gòu)造經(jīng)過(guò)檢測(cè)也無(wú)變化(限于篇幅,另文闡述或者在真空技術(shù)網(wǎng)搜索相關(guān)文章),足見(jiàn)制備薄膜具有較高的構(gòu)造穩(wěn)定性和附著性能,對(duì)確保CdTe太陽(yáng)電池性能的穩(wěn)定具有重要意義。

圖1不同襯底溫度下制備CdS薄膜的X射線衍射譜

表1不同襯底溫度下制備CdS薄膜的晶粒尺寸

采用謝樂(lè)公式D=kλ(Bcosθ)粗略估算了CdS薄膜的晶粒尺寸。其中,k=0.89,B為衍射峰的半高寬,θ為衍射角,λ=0.15418nm。具體的計(jì)算結(jié)果如下表1所示。

對(duì)不同衍射峰分別用謝樂(lè)公式計(jì)算可得到各個(gè)晶向的晶粒尺寸,反映晶粒在不同晶向上的生長(zhǎng)情況。一般將各晶向的晶粒尺寸求平均即得到薄膜的晶粒大小。由表1可看到,隨著襯底溫度的升高,制備樣品晶粒大小由25nm增大到29nm,晶粒尺寸偏小。其中,〈002〉晶向的晶粒尺寸由35nm增長(zhǎng)到42nm,而其它晶向的晶粒尺寸較小且沒(méi)有明顯的增長(zhǎng),說(shuō)明薄膜中的晶粒沿〈002〉晶向高度定向生長(zhǎng)。分析認(rèn)為,晶粒尺寸較小來(lái)自于兩方面