电子束蒸发制备CdS多晶薄膜及性质研究

2009-09-01 杨定宇 成都信息工程学院光电技术系

　　CdTe薄膜太阳电池是目前光伏领域的研究热点,其产业化正在稳步推进。然而,目前规模化生产的CdTe太阳电池的实际转换效率仅达到8%～11%之间,与传统Si太阳电池相比仍有较大差距。作为进一步提高CdTe太阳电池整体性能的措施之一,改进电池的顶层材料—硫化镉薄膜(CdS)已引起大家的关注。CdS薄膜禁带宽度约为2.42eV ,能允许绝大部分的可见光透过,被广泛地用作薄膜太阳电池的窗口层。实际应用时,CdS薄膜的结晶状态、表面形貌和可见光透过特性是衡量其性能优劣的主要参数。

　　在传统CdTe太阳电池的制作中,常用化学水浴法(CBD)沉积CdS薄膜,吸收层CdTe薄膜由近空间升华法(CSS)法制备 ,并取得了较好的效果。然而,这种干法和湿法结合的太阳电池制作工艺较为繁琐,不利于流水线作业。从太阳电池的产业化发展方向来看,采用全干工艺制作太阳电池是发展的目标。因此,人们已开始尝试全干工艺制作CdTe太阳电池 ,而其中的关键就是CdS薄膜的干法制备,目前报道的有磁控溅射、近空间升华法等。值得指出的是,干法制备的CdS薄膜用于CdTe太阳电池的制作时,转换效率一直低于传统的CBD方法,有必要对干法工艺的类型和工艺参数进行详细研究,以推进太阳电池的产业化进程。其中,电子束蒸发法具有工艺简单,成膜速度快,可采用大面积基片等优点,但用来制备CdS薄膜却鲜有报道。为此,本文采用电子束蒸发制备了CdS薄膜,并对其性能进行表征,以探索该工艺的可行性,为工业化的大面积CdTe太阳电池制作提供实验依据。

1、实验

　　本实验采用JT-500型高真空电子束蒸发系统沉积CdS薄膜。在高真空下进行薄膜的沉积,由涡轮分子泵实现真空,本底真空度为4×10-3Pa 。选用普通的载玻片作为衬底,通过卤钨灯对衬底进行加热,调节卤钨灯电流,将衬底温度控制在100℃到200℃之间。此外,在真空室里薄膜沉积时衬底维持旋转,以提高薄膜的均匀性。蒸发材料放置于坩埚内,使用纯度为99.995%的CdS小块材料。电子束蒸发的电子枪束流和电压分别维持在30mA 和6.5kV,蒸发时间2min。

　　本文采用丹东方圆仪器有限公司的DX-2000型X射线衍射仪对样品的结构进行表征。铜靶(Kα线,波长0.15418nm),扫描范围0°～90°,扫描速度为0.06°/s ;采用日立S24800冷场发射扫描电镜对样品表面形貌进行了观察;薄膜的紫外-可见透过谱采用岛津公司生产的UV-2100紫外分光光度计进行测量。

2、结果与讨论

2.1、CdS多晶薄膜结构分析

　　作为窗口层材料,CdS薄膜的结晶状态对CdTe太阳电池的串联电阻、缺陷态密度、透过率等有决定性的影响,进而影响到电池的整体性能。一般来说,结晶度高的CdS薄膜有利于降低电池顶区缺陷,改善顶区的有效光生载流子收集,同时也能降低太阳电池的串联电阻。

　　图1为制备的CdS薄膜的X射线衍射谱。由图中可看到,不同衬底温度下沉积的CdS薄膜呈现出了〈002〉晶向的高度择优取向生长,显示薄膜结晶度较高,有利于减少非晶相所形成的缺陷态密度和晶界缺陷,改善CdS薄膜的光透过性能。随着衬底温度的升高,薄膜中还逐渐出现一些其它衍射峰,如〈103〉、〈004〉、〈105〉等。值得注意的是〈, 002〉晶向的衍射峰强度随着衬底温度的升高而增强,并且始终处于优势地位,暗示薄膜中该生长晶向含量上升。可见,电子束蒸发制备的CdS薄膜是多晶结构,属于六方相。实际上,立方相和六方相的CdS薄膜均可用作CdTe 太阳电池的窗口层,但后者更稳定,因而更适合作为窗口层 。本实验制备的CdS薄膜在大气中放置半年时间后,经检查未见薄膜脱落,其表面形貌和结构经过检测也无变化(限于篇幅,另文阐述或者在真空技术网搜索相关文章) ,足见制备薄膜具有较高的结构稳定性和附着性能,对确保CdTe太阳电池性能的稳定具有重要意义。

不同衬底温度下制备CdS薄膜的X射线衍射谱

图1 　不同衬底温度下制备CdS薄膜的X射线衍射谱

表1 　不同衬底温度下制备CdS薄膜的晶粒尺寸

　　采用谢乐公式D=kλ( Bcosθ) 粗略估算了CdS薄膜的晶粒尺寸。其中,k =0.89,B为衍射峰的半高宽,θ为衍射角,λ= 0.15418nm。具体的计算结果如表1所示。

　　对不同衍射峰分别用谢乐公式计算可得到各个晶向的晶粒尺寸,反映晶粒在不同晶向上的生长情况。一般将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,随着衬底温度的升高,制备样品晶粒大小由25nm增大到29nm,晶粒尺寸偏小。其中,〈002〉晶向的晶粒尺寸由35nm增长到42nm,而其它晶向的晶粒尺寸较小且没有明显的增长,说明薄膜中的晶粒沿〈002〉晶向高度定向生长。分析认为,晶粒尺寸较小来自于两方面的原因:一是考虑到衬底为普通的载玻片,薄膜没有进行高温退火,而CdCl2气氛下的退火能显著增强晶粒的尺寸 ;二是考虑到窗口层的需要,沉积时间短,CdS薄膜厚度较小,这也在一定程度上抑制了晶粒生长的时间和空间。