真空蒸发制备Sb掺杂CdTe薄膜

　　采用真空蒸发镀膜技术在玻璃衬底上制备了Sb 掺杂的CdTe 薄膜，薄膜为沿(111)晶向择优生长的立方闪锌矿结构的CdTe，结果表明Sb 掺杂使得薄膜表面更加均匀致密，改善了薄膜的结晶状况，增大了薄膜的光吸收范围，同时也使薄膜的带隙宽度有所减小，大大降低了薄膜的电阻率。

　　CdTe 是典型的Ⅱ - Ⅵ族化合物直接禁带半导体，能隙宽度为1.45 eV，具有良好的光电学特性，因此CdTe 近年来被人们广泛的应用于薄膜太阳电池中。目前CdTe 薄膜太阳能电池在实验室中获得的最高光电转换效率是17.3%。但这与CdTe 薄膜太阳能电池的理论效率29%仍然相差很远，因此真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为利用掺杂特性改变薄膜的晶体学和光电学性质，进一步提高CdTe 薄膜太阳能电池的转换效率具有一定的现实意义。

　　本文利用真空蒸发法制备了Sb 掺杂的CdTe 薄膜，研究了掺杂量、退火温度对薄膜的形貌、结构及光电学性质的影响，为进一步提高CdTe 薄膜电池的转换效率进行了一些探索。

1、实验

1.1、薄膜制备

　　我们采用真空蒸发法制备不同Sb 掺杂比的CdTe 薄膜，将清洗烘干好的玻璃片放置于真空室内; 把高纯CdTe 与Sb 按不同原子比(A=Sb：CdTe=0, 0.008, 0.03, 0.07) 充分混合研磨后放置于钼舟中;将蒸发室抽真空至真空度10^-4 Pa 以上，调整蒸发电流、蒸发时间至合适值，改变衬底温度制备出不同Sb 掺杂比例的CdTe 薄膜，薄膜厚度均为1.2 μm。将制备好的薄膜在氩气的保护下进行不同温度的退火处理。

1.2、性能测试

　　用X 射线衍射仪对薄膜晶体结构进行测试分析，紫外可见分光光度计、霍尔效应测试仪和原子力显微镜对薄膜的导电类型、光、电学性能及表面形貌特性进行了测试。

2、结果与讨论

2.1、薄膜的表面形貌特征

　　首先对掺杂前后CdTe 薄膜的表面形貌进行了测试，如图1 所示，由图可以看出纯CdTe 薄膜表面十分不均匀，晶粒大小不一而且有大颗粒析出，其平均粗糙度为Sa=8.03 nm。当掺杂浓度为Sb：CdTe=0.03 时可以明显的看出CdTe 薄膜表面变得更加致密，晶粒大小也更加均匀，其平均粗糙度下降为Sa=5.24 nm。继续增加Sb 的掺入量以后(Sb：CdTe=0.07)，CdTe 颗粒界线不明显，晶界模糊，表而较平整致密，而平均粗糙度Sa 则增大到了8.62nm。这表明适当的Sb 掺杂可以改善薄膜表面的致密度和均匀度。

图1 Sb 掺杂CdTe 薄膜的AFM图

2.2、薄膜的物相和结构

　　为了分析掺杂量对CdTe 薄膜物相结构的影响，我们对掺杂前后的CdTe 薄膜进行了XRD 测试，图2 为其结果(衬底温度为150℃，退火温度为400℃)。由图2 可以看出未掺杂和不同掺杂浓度样品的XRD 的择优取向均为(111)晶向，其三强峰分别对应(111)、(220)、(311) 晶向， 与标准PDF65- 8879 卡相吻合,薄膜仍为立方闪锌矿结构。图谱中均未出现Sb 单质物相。随着掺杂浓度增加，薄膜的各个晶向衍射峰强度均有所增加，当掺杂浓度为Sb：CdTe=1:0.03 时衍射峰峰强最强，继续增大掺杂比率样品的(111)晶向峰强明显降低，(220)方向峰强开始增大。比较不同Sb 含量的衍射曲线可知：最佳掺杂比率为Sb：CdTe=0.03，在此条件下薄膜的结晶性能得到了明显的改善。

图2 Sb 掺杂的CdTe 薄膜的XRD 图

　　图3 是CdTe 薄膜在不同热处理温度下的XRD 图，热处理时间为20 min，掺杂浓度为CdTe:Sb=1:0.03、衬底温度为150℃。由图可以看出当退火温度为350℃时XRD 的择优取向为(111)晶向，在(220)、(311)晶向上的峰强很弱，当温度升高到400℃时薄膜的三强峰均有所增强，而且其它晶向上也开始出现小峰。当温度进一步升高到425℃时，CdTe 薄膜的三强峰强度变化不大，而且热处理温度越高越容易引进更多缺陷。故综合考虑认为: 掺杂后薄膜的最佳热处理条件为T=400℃，t=20 min。

图3 不同热处理条件下CdTe 薄膜的XRD 图

　　由XRD 图谱对样品的晶格常数和晶粒尺寸进行了计算，如表1 所示。结果发现掺Sb 使CdTe 薄膜的晶格常数有所减小, 这可能是因为Sb3+ 的离子半径小于Cd2+的离子半径,所以少量Sb3+ 的替位使CdTe 薄膜的晶格常数略有减小,但是变化的幅度不是很大,因为CdTe 的自补偿效应很难得到高掺杂的CdTe薄膜，故其主要成分仍然是CdTe，所以与纯CdTe薄膜的晶格常数接近。通过谢乐公式计算了样品晶粒尺寸,计算结果表明,掺杂Sb 使CdTe 的晶粒尺寸有比较明显的增大。

3、结论

　　(1)采用真空蒸发技术制备出了Sb 掺杂的CdTe 薄膜，薄膜为立方闪锌矿结构，沿(111)晶相择优生长。掺杂Sb 促进了薄膜的结晶，使晶粒尺寸有所增长。

　　(2) 掺杂Sb 后，薄膜的表面粗糙度有所减小，薄膜表面变得更加致密，晶粒大小也更加均匀，当掺杂浓度过大时薄膜粗糙度有所增大。

　　(3)掺杂Sb 增强了CdTe 薄膜的光吸收特性，光学带隙明显减小、吸收限红移，增宽CdTe 薄膜的光吸收范围。

　　(4)掺杂Sb 使CdTe 薄膜的载流子浓度有所增加，薄膜的电阻率明显减小，而且掺杂前后CdTe薄膜的导电类型均为P 型。