论文部分内容阅读
ZnS是重要的Ⅱ-Ⅵ族宽禁带直接带隙半导体材料,其禁带宽度为3.6-3.8eV,在光电材料方面有着良好的应用。特别是近些年来,采用ZnS薄膜作为过渡层的无镉CIGS太阳能电池已取得了较高的转换效率。化学水浴法是制备Ⅱ-Ⅵ族半导体薄膜普遍适用的方法,具有工艺简单,成膜质量高,且可大面积制各等突出优点,采用化学水浴法制备ZnS薄膜已引起研究者们越来越多的关注。
本文系统的研究了化学水浴法制备ZnS薄膜的工艺条件与工艺过程,采用X射线衍射仪(XRD)研究ZnS薄膜的结构,采用扫描电镜(SEM)表征ZnS薄膜的形貌,采用X射线能谱仪(EDS)分析薄膜的成分组成,采用紫外-可见光分光光度计(UV-VIS)测试薄膜的透光性能,并根据透射光谱计算了薄膜的光学禁带宽度。通过优化水浴配方和改进薄膜沉积工艺制备出了具有较高质量的ZnS薄膜。
本文采用柠檬酸钠与酒石酸组成的新型络合剂体系,研究了不同的工艺参数包括沉积温度、沉积时间、反应溶液浓度、反应溶液PH对ZnS薄膜的影响。通过严格控制反应条件,在反应温度为80℃,沉积时间为40min,反应溶液PH为10的条件下,施加超声振荡,采用Zn(AC)2(0.015M)-SC(NH2)2(0.016M)-C4H6O6(0.012M)-Na3C6H5O7(0.01M)的配方,制备出具有立方相晶体结构,原子组成S/Zn=0.92,表面均一致密,在300nm-800nm的光谱范围内,平均光透过率达到85.1%,光学禁带宽度为3.78eV的的ZnS薄膜。
其次,本实验对化学水浴法制备ZnS薄膜的工艺进行了改进,分别研究了超声振荡、衬底预热处理及薄膜沉积后热处理对薄膜的影响。结果表明,这三个方面的工艺改进均不同程度的对ZnS薄膜的组成、形貌和光学性能产生影响,其中在沉积过程中施加超声振荡对薄膜的表面形貌改善最大。
最后,本论文还对化学水浴法制备ZnS薄膜的反应机理进行了初步讨论,结合本实验的工作,提出了一种可能的反应机理,认为在反应的初始阶段,衬底表面的Zn(OH)2对于ZnS膜具有诱发成核的作用,反应的中期,薄膜开始在已经形成的ZnS晶粒上生长,在反应末期,由于溶液中反应物的大量消耗,薄膜表面容易吸附ZnS或Zn(OH)2的胶体微粒,使薄膜的形貌变得粗糙。同时,本论文对于反应体系中溶液酸碱缓冲机制、络合剂的作用机制及超声振荡的作用机制进行了讨论。