电化学沉积法制备CdTe半导体薄膜及其性能研究

摘要

随着能源危机和环境污染问题日益加剧，对太阳能电池的关注越来越多。提高转化效率和降低成本仍是光伏行业面临的两大难题。寻求成本低廉、稳定性好、具有较高光电转化效率的太阳能电池工艺技术是研发低成本太阳能电池的重要途径。CdTe多晶薄膜具有直接带隙结构，禁带宽度与太阳光谱十分匹配，吸收系数高，电池的转换效率理论值为28％-30％，是公认的高效、稳定、廉价的薄膜光伏器件材料。电化学沉积技术工艺简单、设备投资小、能源消耗低、大面积制造容易，在降低成本方面潜力巨大。目前电沉积CdTe薄膜大多采用强酸性溶液体系，沉积速率低，对设备要求高。本研究采用一种新的碱性溶液体系电化学沉积CdTe薄膜，探索薄膜的电化学沉积机理以及工艺参数对薄膜结构与性质的影响。
　　研究中首先采用化学水浴法在FTO和ITO导电基底上制备CdS多晶薄膜。通过优化溶液pH、温度以及退火条件获得适用于后续电化学沉积CdTe薄膜的CdS基底;采用NTA作为络合剂配制碱性溶液，采用循环伏安法分析溶液的电化学特性，采用三电极体系和搅拌对流方法在CdS基底上沉积CdTe薄膜。利用XRD、FESEM表征了CdS和CdTe薄膜的结构和形貌;利用紫外-可见分光光度计、交流阻抗测试技术表征了CdS和CdTe半导体薄膜的光学和电学性能。分析了光照激发、沉积电位、退火处理对CdTe薄膜组成、结构和性质的影响，在此基础上提出碱性溶液中沉积CdTe薄膜的电化学机制。
　　CBD制备CdS薄膜的研究发现，随溶液pH升高，成膜速率先增大后减小;随温度升高，反应速率加快，成核密度增大，晶粒减小。最优化CdS薄膜的生长条件为，2.5mMCd(COOH)2,25mM NH4COOH，12mM SC(NH2)2，pH=10，沉积温度为85℃，生长60min的CdS薄膜厚度为100nm，晶体结构为立方相，CdCl2退火促进CdS薄膜从从立方相向六方相转变。
　　碱性电解质体系的电化学特性表明，电沉积CdTe半导体薄膜的电压范围为-0.6V—-1.2V，在这个电位区间内随着电位的降低沉积速率加快，获得的CdTe薄膜Te/Cd逐渐降低。光照激发提高了电化学制备CdTe半导体薄膜的沉积速率，沉积电流密度从0.07mA/cm2提高到了0.28 mA/cm2，同时还提高了CdTe薄膜的结晶度。Mott-Schottky测试证实，碱性溶液电沉积制备的CdTe薄膜是p型半导体，明显不同于酸性电解质体系制备的n型CdTe半导体薄膜;沉积的CdTe薄膜退火后，呈随机取向的晶体结构，结晶度增强，晶粒长大，经过CdCl2处理的CdTe薄膜退火之后(220)晶面的衍射峰强度超过了(111)晶面衍射峰强度，随机取向程度更大。基于上述结果建立了CdTe/半导体溶液界面能级结构图，揭示出光照的作用是在p型CdTe半导体中产生光生电子-空穴对，在阴极沉积电位作用下的界面空间电荷耗尽区，加速电子向溶液转移，被表面态俘获，促进了电解质溶液中氧化态到还原态的转变，提高了其电沉积速率。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 太阳能电池基础

1．2．1 太阳能电池基本原理

1．2．2 太阳能电池相关性能参数

1．3 CdTe太阳能电池结构

1．4 化学水浴法制备CdS

1．5 CdTe的性质及制备工艺

1．5．1 CdTe的结构与性质

1．5．2 CdTe薄膜的制备工艺

1．6 电化学沉积法制备CdTe

1．7 CdTe电池对环境的影响

1．8 课题的提出及研究内容

第二章 实验方案设计与研究方法

2．1 实验所用原料与设备

2．1．1 实验原料

2．1．1 实验设备

2．2 实验方案与实验步骤

2．2．1 实验方案

2．2．2 实验步骤

2．3 测试与表征

2．3．1 测试仪器

2．3．2 测试方法

第三章 CdS薄膜的制备及性能表征

3．1 pH值的影响

3．2 温度对CdS薄膜形貌和结构的影响

3．3 CdS薄膜生长速率的线性拟合

3．4 退火对CdS结构和形貌的影响

3．4．1 退火对CdS晶体结构的影响

3．4．2 退火对CdS形貌的影响

3．4．3 退火对CdS光学性能的影响

3．5 本章小结

第四章 CdTe薄膜的制备及性能

4．1 CdTe沉积液中络合剂的选择

4．2 电解质的电化学特性

4．3 光照对电化学沉积的影响

4．4 溶液性质对CdTe导电性的影响

4．5 光照激发电沉积CdTe机理

4．6 光照对CdTe晶体结构的影响

4．7 沉积电位对CdTe薄膜组成的影响

4．8 退火处理对CdTe晶体结构的影响

4．9 本章小结

第五章 结论与展望

参考文献

致谢

附录