化学水浴法制备硫化镉薄膜的研究

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CIGS薄膜太阳能电池因其转换效率高、成本低等优点,成为最具有发展潜力的一种太阳能电池。CdS薄膜作为CIGS薄膜太阳电池的缓冲层,可以改善CIGS/CdS/ZnO之间的界面状态,保护吸收层CIGS薄膜,对电池效率的提高起决定性的作用。CBD法可以在大面积的衬底上制备性能优良的CdS薄膜,且制造成本低,但是,目前对其成膜机理还不清楚,薄膜生长速率和前驱物利用率没有得到重视,只有少数学者对其做了研究。本文采用CBD法,以醋酸镉、硫脲、氨水和醋酸铵为反应物,在玻璃衬底上沉积CdS薄膜。通过分析CBD法制备CdS薄膜的成膜机理,可知其主要影响因素为醋酸镉、硫脲、氨水和醋酸铵浓度,反应温度和搅拌强度。因此设计了五水平六因素的正交实验,利用极差分析法,首先,分析了各工艺参数对薄膜的生长速率的影响规律及机理;其次,分析了各工艺参数对薄膜前驱物(醋酸镉、硫脲)利用率的影响规律。最后综合考虑薄膜质量和前驱物利用率两方面因素,确定最佳工艺参数,在此工艺下制备CdS薄膜,分析沉积时间长短对薄膜表面形貌、晶体性质和光学性质的影响。通过对成膜机理和实验结果的分析,得到以下结论:随着溶液中游离Cd2+和S2-浓度的增大,生长速率增大,薄膜的生长方式由离子离子机制向簇簇机制转变。各工艺参数对薄膜生长速率的影响机理各不相同。各反应物通过各种化学反应改变了溶液中游离Cd2+和S2-浓度;温度的升高不仅改变了溶液中游离Cd2+和S2-浓度,而且有利于Cd(NH3)4+、OH-、SC(NH2)2离子向衬底扩散和吸附;搅拌强度的增强则主要加快了OH-、SC(NH2)2传质速度和溶液中CdS沉积粒子的迁移,从而影响薄膜的生长速率。各工艺参数对薄膜生长速率和前驱物利用率的影响程度各不相同。温度、醋酸铵、转速、醋酸镉、硫脲、氨水对薄膜生长速率的影响程度依次降低;醋酸镉利用率的影响顺序从大到小依次为醋酸镉、醋酸铵、温度、转速、硫脲、氨水;硫脲利用率主要受到硫脲浓度的影响,其余各因素的影响都较小。制备薄膜质量好,前驱物醋酸镉与硫脲的综合利用率也较高的最佳实验参数为醋酸镉4mM、硫脲14mM、醋酸铵0.03M、氨水0.4M,温度为70℃,转速为200r/min。在最佳工艺条件下制备CdS薄膜,当沉积时间为25min时,薄膜的表面均匀、致密、包覆性好、光透过率高、禁带宽度适中,非常适合做CIGS薄膜太阳能电池的缓冲层。
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