化学水浴法制备硫化镉薄膜的研究

摘要

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。