水浴沉积法制备太阳能电池用CdS薄膜

1999年9月 南昌航空工业学院学报Sep tem ber　1999第13卷第3期 Jou rnal of N anchang In stitu te of A eronau tical T echno logy V o1.13　N o.3

水浴沉积法制备太阳能电池用CdS薄膜

敖建平,徐勤友,孙国忠

(南昌航空工业学院　材料工程系,江西南昌330034)

摘要:本文用化学沉积法和电化学沉积法制备太阳能电池用半导体薄膜硫化镉(CdS),对成膜的影响因素进行了测试。结果表明,化学沉积CdS质量较好,沉积速度较慢,受pH的影响较大,且水浴容器壁上沉积有大量的CdS膜。

电化学沉积CdS的电流密度在0.5～2.5mA c m2的范围内,沉积速度快,材料消耗少,但是对电流密度过于敏感,成膜参数难以控制。

关键词:太阳能电池;CdS薄膜;制备;化学沉积;电化学沉积。

中图分类号:TM914.42

前言

水浴法制备化合物半导体薄膜是太阳能电池的一个发展的重要方向,它包括水浴化学沉积法和水浴电化学沉积法。水浴法具有成本低、成膜温度低、适合于制备大面积薄膜、易于实现连续生产、无污染、材料消耗量少等优越性,受到人们极大的关注,是目前太阳电池研究的热点〔1〕。CdS是一种n-型半导体,室温下能带间隙为2.42eV,通常作为化合物半导体太阳电池的窗口层〔2〕。多采用水浴化学沉积的方法制备。本文用水浴化学沉积法和电化学方法,在不同基体上制备了CdS半导体薄膜,对成膜条件及膜的性能进行了探索性研究。

1　实验

1.1　水浴化学沉积CdS

将Cd(NO3)2、KO H、SC(N H2)2单独配成0.02M、0.5M、0.2M的溶液N H4C l和N H4NO3配成浓度为0.04M和1.46M的混合溶液待用。

以不锈钢片、钼片、钛合金片和玻璃片作为试样,进行化学沉积。

将10m lKO H溶液倒入10m l的Cd(NO3)2溶液中,搅拌均匀,再依次倒入10m l的N H4C l和N H4NO3混合溶液、10m l的硫脲溶液,搅拌得到无色透明的混合溶液,用氨水调节pH值为9.75,置于80±3℃的恒温水浴中,将试片垂直浸入混合溶液中进行化学沉积。

1.2　水浴电化学沉积CdS

收稿日期:1999-08-28 第一作者:敖建平,女,1961年生,副教授。

第3期 敖建平　等:水浴沉积法制备太阳能电池用CdS薄膜 13　

将CdC l2和N a2S2O3分别配成浓度为0.2M和0.01M的溶液备用。

将30m lCdC l2溶液和30m l N a2S2O3溶液混合均匀,用稀HC l调节pH为2.0,以钼片、不锈钢片和钛片作为试样,碳棒作为阳极,采用恒电流法进行电化学沉积。

1.3　Cu2S CdS太阳电池的制备

将沉积有CdS的试片干燥,在2%CuC l+1%盐酸羟胺溶液(90℃)中浸泡5～15S,然后在120℃的空气中热处理1h,再在140℃的空气中热处理4h,取出后空冷。即可制得Cu2S CdS太阳电池。

2　实验结果与讨论

2.1　化学水浴沉积

在水浴化学沉积过程中,溶液中的Cd(NO3)2提供Cd2+,KO H提供O H-,硫脲提供S2-,铵盐提供N H+4且作为缓冲盐存在,发生如下反应〔3〕:

Cd2++4N H+4+4O H-→Cd(N H3)42++4H2O

S=C(N H2)2+2O H-→S2-+2H2O+CH2N2

Cd2++S2-→CdS

在pH值为8.0、温度为80±3℃的条件下,CdS以一定的速度沉积在试片上成膜,其膜的形成及化学反应过程可表示为:

Cd(N H3)2+4+S=C(N H2)2+2O H-→CdS+CH2N2+2H2O

或Cd(N H3)2+4+S=C(N H2)2+4O H-→CdS+6N H3+CO2-3+H2O

实验表明,若将Cd(NO3)2溶液用相同浓度的CdSO4代替,则不能沉积出CdS膜层。

2.1.1　成膜速度及其影响因素

CdS膜层的质量与基体表面的状态有很大的关系。试验表明,当玻璃试片经过仔细除油-

清洗-丙酮擦洗-蒸馏水冲洗-干燥后,进行沉积可得到质量较好的膜层。若清洗不够彻底,则沉积膜与玻璃基体的结合力差,膜的均匀性也差。

沉积时间对成膜的影响如表1所示。透明的玻璃试片上沉积CdS层的颜色可以判断膜层的相对厚薄,颜色越深,膜层越厚。

表1　沉积时间对玻璃上沉积CdS状态的影响

试片编号1#2#3#

沉积时间(m in)120150180

膜层颜色淡黄淡黄深黄

膜层干涉色亮黄浅黄浅蓝带黄

膜层附着力一般较好较好

表观质量不均匀均匀均匀

注:1.沉积温度80±30℃,pH=8.0;2.膜层颜色为透明玻璃试样上

CdS的目测颜色;3.干涉颜色为CdS在侧光时的反射色;4.附着力

试纸擦拭测定,擦试时基本不损坏为好,稍损为一般,有较多损坏为

较差。

试样材料对CdS沉积速度的影响如表2所示。从表中可以看出,CdS薄膜在金属基体上

的沉积速度比在玻璃上快。一般采用钼作为太阳电池的背电级,是因为它与化合物半导体具有良好的晶格匹配性,CdS在其上可以直接以表面上的钼原子团作为晶核沉积,所以沉积的速度也要快些。而玻璃是非晶结构的材料,CdS在其上沉积必须先形成晶核再长大,所以速度要慢些。

表2　基体材料对沉积速度的影响

试样编号基体材料沉积时间(m in)沉积速度(nm m in)

5#玻璃1201.25

6#玻璃1501.1

7#钼1501.9

8#钼1501.7

注:沉积条件同表1。

2.1.2　氨水对化学沉积过程的影响

在化学沉积过程中,由于反应温度较高,溶液中的N H+4在碱性条件下会形成N H3逸出反应体系,降低溶液的pH值。实验测试了,添加氨水维持pH不变与不添加氨水时对沉积速度的影响,结果如表3所示。从表中可以看出,当添加氨水维持pH不变时,反应中出现黄色CdS悬浮物的时间要长,而不加氨水时则出现黄色悬浮物的时间短。此外,当维持pH不变时,CdS沉积的速度更快。

表3　氨水对CdS在玻璃试片上沉积速度的影响

试样编号

溶液出现黄色

悬浮物时间(m in)

沉积膜的时间

(m in)是否滴加氨水

膜的厚度

(Λm)

沉积速度

(nm m in)

11#20120不加5.400.45

12#25180不加8.250.46

13#30120加6.360.53

14#30180加9.000.50

注:沉积条件同表1。

此外,在试片上沉积CdS的同时,容器壁上也沉积出一层CdS。这种反应是一种无效反应,良费原材料。因此,进一步研究的目标应该是将这种无效反应减少到最小。

2.2　电化学浴沉积

2.2.1　电沉积时间对CdS层表观质量的影响

在不锈钢试样上电沉积CdS时,沉积时间对质量的影响较大,如表4所示。从表中可以看出,随着沉积时间的延长,膜的干涉色发生变化,表观均匀平整,当沉积时间达到50m in时,表观变得不均匀且不平整。

表4　时间对不锈钢上电沉积CdS膜表观质量的影响

试片编号1#2#3#4#5#

沉积时间(m in)510203050

干涉颜色蓝色蓝色红色银红色彩虹色

表观状态表观均匀平整不均匀、有麻点

注:电流密度为1mA c m2;沉积温度为80±30℃。

2.2.2　电流密度对电化学沉积的影响

14 南昌航空工业学院学报 1999年