磁控濺射法制備cds薄膜及性能表征

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1、 磁控濺射法制備CdS薄膜及性能表征 密 級 公開 學(xué) 號 101554 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文） 磁控濺射法制備CdS薄膜 及性能表征 院（系、部）： 材料科學(xué)與工程學(xué)院 姓 名： 于宇新 年 級： 2010 專 業(yè)： 材料科學(xué)與工程 指導(dǎo)教師

2、： 曾冬梅 教師職稱： 講 師 2014年 月 日北京 北 京 石 油 化 工 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 （論 文） 任 務(wù) 書 學(xué)院（系、部）材料科學(xué)與工程學(xué)院 專業(yè)材料科學(xué)與工程 班級 材101 學(xué)生姓名 于宇新 指導(dǎo)教師/職稱 曾冬梅/講師 1.畢業(yè)設(shè)計（論文）題目 磁控濺射法制備CdS薄膜及性能表征 2.任務(wù)起止日期： 2014 年 2 月 16 日 至 2014 年 月 日 3.畢業(yè)設(shè)計（論

3、文）的主要內(nèi)容與要求 （含課題簡介、任務(wù)與要求、預(yù)期培養(yǎng)目標(biāo)、原始數(shù)據(jù)及應(yīng)提交的成果） 硫化鎘(英文caudmim sulfide)分子式CdS，分子量144.46，是一種N型光電導(dǎo)半導(dǎo)體材料。屬Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體，其禁帶寬度為2.42eV，非常適合作為異質(zhì)結(jié)薄膜太陽能電池的窗口材料。同時由于CdS薄膜易于制作、成本低廉，使其成為太陽能電池研究中的熱點。硫化鎘（CdS）因其具有較深的價帶能級和一些特殊的電化學(xué)性能，因此被廣泛應(yīng)用于光催化太陽能電池窗口層材料。 制備CdS薄膜的方法很多，如真空蒸發(fā)法、磁控濺射法、化學(xué)水浴法（CBD法）、噴涂熱解法、電沉積法、絲網(wǎng)印刷法、MOCVD法、So

4、l-gel法等。磁控濺射可以被認(rèn)為是鍍膜技術(shù)中最突出的成就之一。它以濺射率高、基片溫升低、膜-基結(jié)合力好、裝置性能穩(wěn)定、操作控制方便等優(yōu)點,成為鍍膜工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域(特別是建筑鍍膜玻璃、透明導(dǎo)電膜玻璃、柔性基材卷繞鍍等對大面積的均勻性有特別苛刻要求的連續(xù)鍍膜場合)的首選方案。 通過本課題的研究，培養(yǎng)學(xué)生查找、收集文獻資料的能力，了解如何進行文獻調(diào)研，并學(xué)會總結(jié)、概括，完成文獻綜述的撰寫。提高學(xué)生科技論文閱讀和翻譯的能力，準(zhǔn)確翻譯一篇外文文獻；鍛煉學(xué)生的動手能力，學(xué)會操作和使用實驗儀器設(shè)備；使學(xué)生了解材料相結(jié)構(gòu)、組織形貌、光電性能的檢測原理，掌握基礎(chǔ)的分析檢測技術(shù)；培養(yǎng)學(xué)生利用計算機繪圖、處理數(shù)據(jù)

5、的能力，對相應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)進行處理；培養(yǎng)學(xué)生獨立分析問題和解決問題的能力。 預(yù)期培養(yǎng)目標(biāo)：通過畢業(yè)設(shè)計的訓(xùn)練，使同學(xué)掌握科學(xué)研究的思路和方法，為以后從事材料科學(xué)研究工作打下基礎(chǔ)；為太陽能電池的光學(xué)性能優(yōu)化和理論研究做好準(zhǔn)備。 最終提交材料：文獻綜述、文獻翻譯及原文、畢業(yè)論文。 4.主要參考文獻 [1]Moualkia H,Hariech S,Aida M S.Thin Solid Films,2009,518:1259. [2]俞秋蒙. 薄膜太陽能電池窗口層材料的應(yīng)用與發(fā)展[J].科技致富向?qū)В?011年，12期：15-48 [3]常笑薇. CdS薄膜及其太陽能電池的制備

6、和性質(zhì)研究[D]：[碩士學(xué)位論文].北京交通大學(xué)，2006年 [4]趙嘉學(xué)，童洪輝.磁控濺射原理的深入探討[J].真空，2004年，41卷（04期）：74-79 [10]董騏，范毓殿.非平衡磁控濺射及其應(yīng)用[J].真空科學(xué)與技術(shù)，1996年，16卷（01期）:51-57 [5]黎兵，蔡亞平，朱居木等人．CdS多晶薄膜的制備及其性能的研究．四川大學(xué)學(xué)報．1999．36(3)．497—500 [6]J．N．Ximello-Quiebras，G．Contreras-Ptmnte，J．Aguilar-Hemandez,et a1．Physical properties of chemical b

7、ath deposited CdS thinfilms．Sol矗EnergyMaterials&Solar Cells．2004．82(1-2)．263-268 [7] 徐萬勁. 磁控濺射技術(shù)進展及應(yīng)用(上) [J]. 現(xiàn)代儀器, 2005, (5):1-5. 5.進度計劃及指導(dǎo)安排 (1) 2014.2.17－2014.2.23 中英文文獻查找、搜集 (2) 2014.2.24－2014.3.14 翻譯英文文獻，撰寫開題報告，開題答辯 (3) 2014.3.17－2014.5.2 工藝摸索、樣品制備 (4) 2014.5.5－2014.5.16 用紫外－

8、可見分光光度計測量薄膜透光率，用XRD對薄膜的結(jié)構(gòu)進行分析，用原子力顯微鏡對薄膜形貌進行分析。 (5) 2014.5.19－2014.5.23 對實驗數(shù)據(jù)進行分析處理 (6) 2014.5.26－2014.5.30 整理實驗結(jié)果完成論文 (7) 2014.5.31－2014.6.6 修改論文、評閱、答辯 任務(wù)書審定日期 年 月 日 系（教研室）主任（簽字） 任務(wù)書批準(zhǔn)日期 年 月 日 教學(xué)院（系、部）院長（簽字）

9、 任務(wù)書下達(dá)日期 年 月 日 指導(dǎo)教師（簽字） 計劃完成任務(wù)日期 年 月 日 學(xué)生（簽字） 摘 要 硫化鎘，分子式CdS，是一種N型光電導(dǎo)半導(dǎo)體材料。CdS是一種非常重要的Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體，其禁帶寬度為2.42eV。使用X射線衍射儀、原子力顯微鏡，紫外-可見分光光度計對CdS薄膜的晶體結(jié)構(gòu)、表面形貌、光學(xué)性能進行了分析測試。重點討論了濺射功率、濺射時間、襯底溫度、實驗氣壓、靶材到襯底距離等不同工藝參數(shù)對CdS薄膜的光透過性

10、能、晶體結(jié)構(gòu)及其表面形貌的影響。 實驗說明：硫化鎘薄膜的光學(xué)性能、表面形貌主要與薄膜厚度、晶體結(jié)構(gòu)和晶粒大小有關(guān)。薄膜越厚，硫化鎘的光學(xué)透過率越低，禁帶寬度越?。痪ЯＴ酱?，薄膜表面粗糙度越大。 關(guān)鍵詞：硫化鎘，磁控濺射，晶體結(jié)構(gòu)，表面形貌，光學(xué)性能 Abstract Cadmium sulfide, Molecular formula is CdS, It’s a kind of N type photoconductive semiconductor materials. CdS is a very important material as a II-IV compo

11、und semiconductor，the band-gap energy of CdS is 2.42eV. Using the X-ray diffraction, atomic force microscopy and uv-vis spectrophotometer detection the crystal structure, surface morphology and optical properties of the CdS. Discuss the different process parameters like the sputtering power, sputter

12、ing time, substrate temperature, pressure, the distance of target material and substrate, the influence for CdS film by light through the performance, The crystal structure and surface morphology. The experiment shows that：the Cadmium sulphide thin film’s Optical properties and surface morphology r

13、elated to the film thickness, crystal structure and grain size. It found that the optical transmittance of cadmium sulfide and the forbidden band width decrease with increase in the film thickness. the thin film surface roughness decrease with increase in the grain. Keywords: Cadmium，sulfide,mag

14、netron，sputtering,crystal，structure,surface morphology，optical properties 目 錄 第一章 前 言 1 1.1 選題背景 1 1.2 研究意義 1 1.3 CdS材料簡介 2 1.4 CdS薄膜的制備方法 3 1.4.1真空蒸發(fā)法 3 1.4.2電沉積法 3 1.4.3化學(xué)水浴法 4 1.4.4磁控濺射法 4 1.5 CdS的應(yīng)用 5 1.5.1光敏電阻 5 1.5.2太陽能電池器件 6 1.5.3半導(dǎo)體激光器 7 1.5.4光催化劑 8 第二章 薄膜的制備與表征 9 2.

15、1 實驗試劑與儀器 9 2.2 CdS薄膜的制備 9 2.2.1 基片的預(yù)處理 10 2.2.2 磁控濺射材料 10 2.2.3磁控濺射步驟 10 2.2.4實驗工藝參數(shù) 11 2.3 CdS薄膜的表征 12 2.3.1 X射線衍射儀（XRD） 12 2.3.2紫外-可見光分光光度計 13 2.3.3原子力顯微鏡（AFM） 14 第三章 結(jié)果與討論 15 3.1功率對CdS薄膜性能影響 15 3.2時間對CdS薄膜性能影響 19 3.3襯底溫度對CdS薄膜性能影響 23 3.4實驗氣壓對CdS薄膜性能影響 26 3.5靶材到襯底距離對CdS薄膜性能影響 30 第

16、四章 結(jié)論 34 參考文獻 35 致 謝 37 聲 明 38 VII 第一章 前 言 1.1選題背景 煤、石油和天然氣等傳統(tǒng)非再生能源在我們的生活中起到了非常大的作用，但由于這些能源儲量有限，還會帶來環(huán)境問題，使得人們越來越關(guān)注新能源的開發(fā)和利用。越來越多的國家開始實行“陽光計劃”，開發(fā)太陽能資源，尋求經(jīng)濟發(fā)展的新動力。目前,如何尋求新材料、新結(jié)構(gòu)來改善太陽電池的光伏性能參數(shù)是困擾光伏工作者的最大難題之一。 硫化鎘/碲化鎘薄膜電池的效率較非晶硅薄膜太陽能電池效率高，成本較單晶硅電池低，并且也易于大規(guī)模生產(chǎn)。硫化鎘（CdS）作為一種n型半導(dǎo)體材料，其禁帶寬度為

17、2.42eV，非常適合作為異質(zhì)結(jié)薄膜太陽能電池的窗口材料[1]。同時由于CdS薄膜易于制作、成本低廉，使其成為太陽能電池研究中的熱點。通過改善CdS窗口層材料的光學(xué)、電學(xué)性能可以提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。 1.2 研究意義 窗口層材料對太陽能電池影響是非常大的，它直接影響光電轉(zhuǎn)換效率。一般窗口層起到同電池本體層形成pn結(jié)內(nèi)電場的作用，由于窗口層是表面層，因此窗口層要盡量避免吸收光產(chǎn)生載流子，因此窗口層普遍采用禁帶寬度大的材料制成，盡量不吸收光。以至于可以盡量增加太陽能電池的光吸收率，提高光電轉(zhuǎn)換率。硫化鎘（CdS）因其具有較深的價帶能級和一些特殊的電化學(xué)性能，因此被廣泛應(yīng)用于光催化太陽

18、能電池窗口層材料[2]。 傳統(tǒng)上, 商用化的CdTe太陽電池采用化學(xué)水浴( CBD) 法制作CdS窗口層, CdTe光吸收層采用近空間升華( CSS) 法制備, 干濕結(jié)合工藝使電池制作工序較為繁雜。所以業(yè)界希望推進全干工藝制作CdTe薄膜太陽電池, 以進一步提升該類光伏器件的轉(zhuǎn)換效率, 簡化制作工序, 提高量產(chǎn)后的成品率。因此, 實現(xiàn)干法工藝替代傳統(tǒng)的CBD工藝進行高質(zhì)量CdS窗口層的制備成為關(guān)鍵一步[3]。 本課題采用磁控濺射法制備太陽電池窗口層，這種薄膜制備方法更適用于大面積均勻薄膜的生長，所制薄膜均勻致密，制模成本低，工藝簡單適合大面積連續(xù)生產(chǎn)，商業(yè)前景廣闊。 1.3 CdS材料簡

19、介 CdS是一種重要的光敏半導(dǎo)體,廣泛應(yīng)用于光電子學(xué)領(lǐng)域。在光伏轉(zhuǎn)換方面,CdS作為直接能隙半導(dǎo)體,是一種良好的窗口層材料和過渡層材料,具有廣闊的應(yīng)用前景。 CdS是II -VI族化合物直接躍遷半導(dǎo)體材料，帶隙為2.42eV，在太陽能電池、發(fā)光二極管、光催化及其他光電子學(xué)器件等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，一直被認(rèn)為是一種可見光響應(yīng)的優(yōu)異光電材料。 硫化鎘(英文caudmim sulfide)分子式CdS，分子量144.46，是一種N型光電導(dǎo)半導(dǎo)體材料。屬Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體。有晶體和無定形物。晶體有兩種：α-型，檸檬黃色粉末，密度3.91～4.15;β-型，橘紅色粉末，密度4.48～4.

20、51。自然界中有硫鎘礦，六方晶體，晶格常數(shù)5.8610-10m,密度4.82。CdS主要包括纖鋅礦和閃鋅礦兩種晶格結(jié)構(gòu)，如圖1-1所示。CdS晶體的結(jié)構(gòu)包括有立方晶型結(jié)構(gòu)和六方晶型結(jié)構(gòu)兩種(圖1-1為硫化鎘的晶體結(jié)構(gòu)示意圖)。 圖1-1 CdS晶體結(jié)構(gòu)(a)立方晶型結(jié)構(gòu)(b)六方晶型結(jié)構(gòu) 立方晶相的CdS晶格結(jié)構(gòu)如圖1-1 (a)所示,它是四面體,屬于等軸晶系,面心結(jié)構(gòu)。六方晶相的CdS晶格結(jié)構(gòu)如圖1-1 (b)所示,每個Cd原子與周圍4個S原子按四面體排布。一般制備的CdS材料中這兩種結(jié)構(gòu)都會存在,因為這兩種結(jié)構(gòu)為同質(zhì)異性體,形成能的差異也很小。 CdS能在氮氣中升華。微毒

21、，無放射性，微溶于水和乙醇，溶于酸，極易溶于氨水。熔點1750℃，禁帶寬度2.42eV, 電子和空穴的遷移率分別為210-2和210-3m2/vs，相對介電常數(shù)11.6[5]?？捎糜谥蒲婊?、玻璃釉、瓷釉、發(fā)光材料，并用作油漆、紙、橡膠和玻璃等的顏料（鎘黃和鎘紅），高純度硫化鎘是良好的半導(dǎo)體，對可見光有強烈的光電效應(yīng)，可用于制光電管、太陽能電池。 1.4 CdS薄膜的制備方法 制備CdS薄膜的方法很多，如真空蒸發(fā)法、磁控濺射法、化學(xué)水浴法（CBD法）、噴涂熱解法、電沉積法、絲網(wǎng)印刷法、MOCVD法、Sol-gel法等[6]。本課題采用磁控濺射法制備硫化鎘（CdS），這種薄膜制備方法更適用于大

22、面積均勻薄膜的生長，制模成本低，工藝簡單，所制薄膜均勻致密，薄膜與襯底之間有較大的附著力,并且還可以連續(xù)濺射多層薄膜。 1.4.1化學(xué)水浴法（CBD法） 1884 年,有人首次采用化學(xué)水浴法制備了PbS薄膜,后來發(fā)展為硫化鎘等多種金屬硫族化合物半導(dǎo)體薄膜的制備方法。CBD法制備CdS薄膜時,是在常壓、低溫(30-90℃)的條件下,利用鎘鹽和硫脲在堿性溶液中進行絡(luò)合分解反應(yīng),得到硫化鎘薄膜。工藝參數(shù)對制備的CdS薄膜的結(jié)構(gòu)、性能和表面形貌有很大影響,為了優(yōu)化薄膜的性能,許多研究者對此進行了大量的研究。蔡亞平、李衛(wèi)等人采用化學(xué)水浴法，沉積了大面積(30cm40cm)CdS多晶薄膜，薄膜厚度均勻

23、、致密，其結(jié)構(gòu)為六方相，光學(xué)能隙～2.45eV。通過優(yōu)化和減薄CdS薄膜,提高了CdS/CdTe太陽電池的性能。制備的CdS薄膜性質(zhì)及CdTe薄膜太陽電池組件的性能都表現(xiàn)出了高度的均勻性。同時,制備出了全面積993.16cm2,效率達(dá)8%以上的太陽電池組件[7]。 1.4.2真空蒸發(fā)法 真空蒸發(fā)法即在高真空條件下,通過蒸發(fā)源將膜材加熱到蒸發(fā)溫度,使其蒸發(fā),當(dāng)蒸氣分子的平均自由程大于真空室線性尺寸后,將不再受到其它離子的阻礙,可直接沉積到低溫襯底上,凝結(jié)成膜。何智兵等在真空度為(1.5~2.0)10-3Pa,蒸發(fā)電流為65A的條件下,用99.999%的高純度 CdS 作為蒸發(fā)源,蒸發(fā)鍍膜。C

24、dS的蒸發(fā)速率為0.5nm/s,襯底為150℃時,制備出的薄膜厚度為550nm,光學(xué)透過率達(dá)到了95%以上[8]。 1.4.3電沉積法 電沉積法是金屬或合金或金屬化合物在電場作用下從其化合物水溶液、非水溶液或熔鹽中在電極表面沉積出來的方法。葛艷輝等人采用0.1M/LCdCl2和0.01M/LNa2S2O3的混合溶液 300mL，以Pt電極做正極，帶有透明導(dǎo)電薄膜ITO的玻璃為負(fù)極，在ITO玻璃襯底上電沉積CdS薄膜, 沉積時間約為30min。襯底ITO玻璃依次用丙酮、酒精和去離子水分別超聲清洗 20min。電沉積用的溶液的pH值為2~3，溫度從55~90℃,沉積的電壓分別為1.5V、2V、

25、2.5V、3V和3. 5V。沉積得到的薄膜在溫度為400e , N2氣氛下退火處理1h。分別用XRD及SEM分析了薄膜的結(jié)構(gòu)和表面形貌。研究了不同溫度和不同沉積電壓對薄膜表面硫與鎘的化學(xué)成分比的影響。最佳的沉積電壓為2.5~3V之間。制作了 ITO/n-CdS/p-SnS/Ag結(jié)構(gòu)的太陽能電池,在100mW/cm2的光強下其開路電壓 0.2V,短路電流13.2mA/cm2,填充因子0.31,轉(zhuǎn)換效率 0.81%[9]。 1.4.4磁控濺射法 磁控濺射可以被認(rèn)為是鍍膜技術(shù)中最突出的成就之一。它以濺射率高、基片溫升低、膜-基結(jié)合力好、裝置性能穩(wěn)定、操作控制方便等優(yōu)點,成為鍍膜工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域(特別

26、是建筑鍍膜玻璃、透明導(dǎo)電膜玻璃、柔性基材卷繞鍍等對大面積的均勻性有特別苛刻要求的連續(xù)鍍膜場合)的首選方案[10]。 近年來磁控濺射技術(shù)發(fā)展很快，具有代表性的方法有射頻濺射、反應(yīng)磁控濺射、非平衡磁控濺射等。射頻濺射是一種可采用任何材料的靶, 在任何基片上沉積任何薄膜的方法。在濺射過程中，主動地在放電氣體中混入活性氣體，通過控制活性氣體的比例及壓強控制所合成的化合物的成份和性質(zhì)，從而達(dá)到制備化合物薄膜的方法稱為反應(yīng)濺射。非平衡磁控濺射是在常規(guī)濺射靶基礎(chǔ)上改變磁場分布，可以顯著地提高鍍膜區(qū)域等離子體濃度的磁控濺射方法[11]。 濺射鍍膜在磁場的控制下工作,有著顯著的優(yōu)點: 1)由于電磁場的作

27、用, 電子與放電氣體的碰撞幾率增高，氣體的離化率從而增大，使低氣壓濺射成為可能。而且在電磁場的作用下，二次電子在靶表面作旋輪運動，只有能量耗盡后才脫離靶表面，使得基片損傷小、溫度升高幅度低。2)高密度的等離子體被電磁場束縛在靶面附近，不僅提高了電離效率，使工作氣壓大大降低，而且有利于正離子有效的轟擊靶面，使沉積速率有效提高。3)由于工作氣壓低，所以減少了工作氣體對被濺射出的粒子的散射作用，有利于沉積速率的提高，并可增加膜層與基片的附著力。 不同的濺射參數(shù)可以制作不同性能的薄膜，表1-1是薄膜屬性與影響薄膜屬性的濺射參數(shù)[12]。 表1-1薄膜屬性及相應(yīng)的濺射參數(shù) 薄膜屬性 濺射參

28、數(shù) 成分 晶相及結(jié)晶度 缺陷 顯微結(jié)構(gòu) 表面及界面 靶的成份 濺射模式 基片材料 基片位置 電極幾何結(jié)構(gòu) 濺射氣氛（總壓強、分壓強） 沉積溫度 沉積速率（濺射功率、沉積間距） 偏壓 冷卻速率及冷卻氣氛 后期退火 1.5 CdS的應(yīng)用 硫化鎘晶體有兩種，α-式呈檸檬黃色粉末，β-式呈桔紅色粉末。微溶于水，溶于酸，微溶于氨水?？捎糜谥蒲婊?、玻璃釉、瓷釉、發(fā)光材料、顏料。 鎘黃廣泛用于搪瓷、玻璃和陶瓷的著色。也用于涂料、塑料行業(yè)，還用作電子熒光材料。鎘黃幾乎適用于所有樹脂的著色，在塑料中呈半透明性。含硫化鋅的淺色類鎘黃用于聚乙烯中，應(yīng)盡量縮短成型

29、加工時間，因為硫化鋅會促進聚乙烯塑料分解而呈綠色。鎘黃在室室的穩(wěn)定性不如鎘紅，多用于室內(nèi)塑料制品。鎘黃不宜與含銅或銅鹽的顏料拼用，以免生成黑色的硫化銅或綠色的硫酸銅。鎘黃與藍(lán)色的顏料拼混可得到綠色。 高純度硫化鎘是良好的半導(dǎo)體，對可見光有強烈的光電效應(yīng)，可用于制造光敏電阻、太陽能電池、半導(dǎo)體激光器、光催化劑等。 1.5.1 光敏電阻 光敏電阻（photocell）又稱光敏電阻器（photoresistor or light-dependent resistor，后者縮寫為ldr）或光導(dǎo)管（photoconductor），常用的制作材料為硫化鎘，另外還有硒、硫化鋁、硫化鉛和硫化鉍等材料。這

30、些制作材料具有在特定波長的光照射下，其阻值迅速減小的特性。這是由于光照產(chǎn)生的載流子都參與導(dǎo)電，在外加電場的作用下作漂移運動，電子奔向電源的正極，空穴奔向電源的負(fù)極，從而使光敏電阻器的阻值迅速下降[13]。 1.5.2太陽能電池器件 硫化鎘(CdS)是直接帶隙II-VI族化合物半導(dǎo)體，禁帶寬度為2.42eV,能透過絕大部分陽光,是一種良好的窗口層材料和過渡層材料。現(xiàn)己廣泛用于紅外探測器和薄膜太陽能電池的窗口層，如用來作為CdTe和CulnSe2的窗口層，在提高薄膜太陽能電池轉(zhuǎn)換效率方面起到了顯著的作用?，F(xiàn)己成功制各了轉(zhuǎn)化效率高達(dá)17％的CdS／CulnSe2結(jié)構(gòu)型的太陽能電池和轉(zhuǎn)化效率為16

31、．5％的CdS／CdTe結(jié)構(gòu)型的太陽能電池(結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-2所示)。這兩種電池的結(jié)構(gòu)是ITO玻璃基片／n-CdS／p—CulnSe2(CdTe)／電極，因此CdS薄膜的質(zhì)量和n型摻雜濃度不僅直接影響吸收層薄膜質(zhì)量的好壞，而且對電池的轉(zhuǎn)換效率和壽命起著至關(guān)重要的作用[14]。 圖1-2 CdS/CdTe太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖 目前,如何尋求新材料、新結(jié)構(gòu)來改善太陽電池的光伏性能參數(shù)是困擾光伏工作者的最大難題之一.在對傳統(tǒng)太陽電池研究的基礎(chǔ)上,疊層太陽電池的研究一經(jīng)提出就倍受光伏界的關(guān)注.很多疊層太陽電池結(jié)構(gòu)已經(jīng)提出,并且取得了一定的成績.例如,非晶硅疊層太陽電池中的a-Si/

32、a-Si/a-SiGe三結(jié)疊層太陽電池和p-n型的GaInP2/GaAs疊層太陽電池.為了進一步研究提高電池效率的途徑,在研究CdS/CdTe單層太陽電池的基礎(chǔ)上,提出了CdS/CdTe疊層太陽電池的設(shè)計思路.目的在于提高Voc,改善Isc、FF。CdS/CdTe疊層太陽能電池示意圖如圖1-3所示[15]。 圖1-3 CdS/CdTe疊層太陽能電池示意圖 1.5.3半導(dǎo)體激光器 半導(dǎo)體激光器是以一定的半導(dǎo)體材料做工作物質(zhì)而產(chǎn)生受激發(fā)射作用的器件。.其工作原理是通過一定的激勵方式，在半導(dǎo)體物質(zhì)的能帶（導(dǎo)帶與價帶）之間，或者半導(dǎo)體物質(zhì)的能帶與雜質(zhì)（受主或施主）能級之間，實現(xiàn)非平衡

33、載流子的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，當(dāng)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的大量電子與空穴復(fù)合時，便產(chǎn)生受激發(fā)射作用。半導(dǎo)體激光器的激勵方式主要有三種，即電注入式，光泵式和高能電子束激勵式。電注入式半導(dǎo)體激光器，一般是由砷化鎵（GaAs）、硫化鎘（CdS）、磷化銦(InP)、硫化鋅(ZnS)等等材料制成的半導(dǎo)體面結(jié)型二極管，沿正向偏壓注入電流進行激勵，在結(jié)平面區(qū)域產(chǎn)生受激發(fā)射。光泵式半導(dǎo)體激光器，一般用N型或P型半導(dǎo)體單晶（如GaAS,InAs,InSb等）做工作物質(zhì)，以其他激光器發(fā)出的激光作光泵激勵.高能電子束激勵式半導(dǎo)體激光器，一般也是用N型或者P型半導(dǎo)體單晶(如PbS,CdS,ZhO等)做工作物質(zhì)，通過由外部注入高能電子

34、束進行激勵。在半導(dǎo)體激光器件中，性能較好，應(yīng)用較廣的是具有雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電注入式GaAs二極管激光器[16]。 1.5.4 光催化劑 硫化鎘還可作光催化劑使用。CdS的禁帶寬度為2.4eV,具有很高的光催化活性,能夠被可見光激發(fā)而進行光催化分解水或降解有機污染物,且其結(jié)構(gòu)簡單,容易制備"但諸多研究表明,許多窄禁帶半導(dǎo)體本身在紫外一可見光照射下,往往表現(xiàn)出不穩(wěn)定性,即產(chǎn)生光蝕現(xiàn)象"[17]。 第二章 薄膜的制備與性能表征 2.1 實驗試劑與儀器 表2-1 主要實驗試劑 名稱 純度 CdS靶 99.99% 丙酮（CH3COCH3） 99.95% 無水乙醇（CH3CH2O

35、H） 99.97% 實驗用水 去離子水 2.2 CdS薄膜的制備 本實驗采用磁控濺射法制備CdS薄膜材料，在ITO玻璃（氧化銦錫）上沉積一層CdS薄膜。 圖2-1磁控濺射工作原理示意圖 鍍膜是在真空室中，利用輝光放電產(chǎn)生的正離子在電場作用下加速后轟擊靶表面，使被轟擊出的粒子在基片上沉積的技術(shù)。磁控濺射是在磁場控制下產(chǎn)生的輝光放電，在濺射室內(nèi)加上與電場垂直的正交磁場，以磁場來改變電子的運動方向，使磁控靶表面的電子作旋輪線運動,這樣電子能夠在靶面附近滯留較長的時間而有較多的機會去撞擊濺射氣體原子,從而提高電子對工作氣體的電離幾率和有效利用電子的能量,經(jīng)多次碰撞后的電子

36、能量逐漸降低,擺脫磁力線的束縛，最終落在基片、真空室內(nèi)壁等地方。其工作原理如圖2-1所示,在陽極與陰極之間加一正交電磁場，電子 e 在電場的作用下，與氬原子碰撞,電離出 Ar+和二次電子 e1。靶材受到高速Ar+轟擊后逸出的中性粒子向襯底遷移，到達(dá)襯底表面之后,經(jīng)過吸附、凝結(jié)、表面擴散遷移、碰撞結(jié)合形成穩(wěn)定晶核，晶粒長大后互相聯(lián)結(jié)聚集,最后形成連續(xù)狀薄膜[18]。 2.2.1 基片的預(yù)處理 本文中采用的基片為ITO（氧化銦錫）玻璃，首先用玻璃刀將ITO玻璃切成大小為25mm25mm的樣片。由于ITO玻璃表面容易吸附雜質(zhì)而造成污染，為了使ITO玻璃表面和CdS薄膜之間結(jié)合的更加牢固且沒有其它

37、雜質(zhì)，我們需要在制備前，對基片進行清洗。 清洗過程為： （1）將基片放入燒杯中，加入適量的去離子水，放入超聲波清洗機清洗8-10分鐘。 （2）取出基片，放入另一燒杯中，加入適量無水乙醇，放入超聲波清洗機清洗8-10分鐘。 （3）取出基片，放入另一燒杯中，加入適量丙酮，放入超聲波清洗機，清洗8-10分鐘。 （4）取出基片，放入另一燒杯中，加入適量無水乙醇，進一步清洗8-10分鐘，取出基片并干燥，放入基片托盤待用。 2.2.2 磁控濺射材料 本文中使用的磁控濺射材料為純度為99.99%的CdS靶。 2.2.3磁控濺射步驟 （1）開總電源，開水及總控電源。打開放氣閥，待放棄完畢，關(guān)

38、閉放氣閥。升上蓋，放濺射靶，放入陰極罩（內(nèi)罩旋緊，外罩旋緊后回轉(zhuǎn)720。），放入待濺射基片，降上蓋。 （2）打開機械泵、截止閥，打開真空計，打開預(yù)抽閥，待真空計示數(shù)低于2.0E0Pa時，關(guān)閉預(yù)抽閥，打開高閥，運行分子泵（啟動時間約10分鐘）。 （3）待真空度達(dá)到1.5E-3Pa時打開射頻總電源。待真空度達(dá)到9.5E-4Pa時關(guān)電離規(guī)，關(guān)小高閥，打開氣瓶，開流量計及進氣閥（通Ar氣），調(diào)整流量（示數(shù)15.0），調(diào)節(jié)高閥控制氣壓到理想氣壓（根據(jù)參數(shù)調(diào)整）。 （4）待“OFF”變紅后可以開始濺射，按下“ON”按鈕，調(diào)起輝，然后調(diào)節(jié)實驗所需功率。待濺射完成后，按下“OFF”按鈕，關(guān)閉射頻總電源。

39、關(guān)真空計，關(guān)流量計，關(guān)進氣閥，關(guān)氣瓶。 （5）關(guān)閉高閥，停分子泵，待分子泵轉(zhuǎn)數(shù)為零后，打開放氣閥，待放氣完畢，關(guān)閉放氣閥，升上蓋，取出樣品，降上蓋。 （6）設(shè)備使用完畢后（關(guān)機前）需要抽預(yù)真空，開機械泵，開預(yù)抽閥，開真空計，待真空度達(dá)到2.0E0后，關(guān)閉預(yù)抽閥、機械泵、真空計。關(guān)閉總控電源，關(guān)水，關(guān)總電源。 2.2.4 實驗工藝參數(shù) 實驗所需的所有工藝參數(shù)如表2-2所示。采用正交實驗法。 表2-2 實驗工藝參數(shù)表 變量 編號 濺射功率 濺射時間 實驗壓強 襯底溫度 靶材與襯底間距 1# 20W 30min 1.5pa 室溫 6.5cm 濺射功率

40、 2# 40W 30min 1.5pa 室溫 6.5cm 3# 60W 30min 1.5pa 室溫 6.5cm 4# 80W 30min 1.5pa 室溫 6.5cm 濺射時間 5# 40W 45min 1.5pa 室溫 6.5cm 6# 40W 1h 1.5pa 室溫 6.5cm 7# 40W 1.5h 1.5pa 室溫 6.5cm 實驗壓強 8# 40W 30min 1pa 室溫 6.5cm 9# 40W 30min 2pa 室溫 6.5cm 10# 40W 30min 3

41、pa 室溫 6.5cm 襯底溫度 11# 40W 30min 1.5pa 100℃ 6.5cm 12# 40W 30min 1.5pa 200℃ 6.5cm 13# 40W 30min 1.5pa 300℃ 6.5cm 靶材與襯底間距 14# 40W 30min 1.5pa 室溫 5.5cm 15# 40W 30min 1.5pa 室溫 6.5cm 16# 40W 30min 1.5pa 室溫 7.5cm 2.3 CdS薄膜的性能表征 本文采用多種材料分析手段研究了CdS薄膜的厚度、晶體結(jié)構(gòu)、表面微觀形

42、貌及光學(xué)特性等。 2.3.1 X射線衍射儀（XRD） X射線衍射儀是利用衍射原理，精確測定物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)，織構(gòu)及應(yīng)力，精確的進行物相分析，定性分析，定量分析。廣泛應(yīng)用于冶金、石油、化工、科研、航空航天、教學(xué)，材料生產(chǎn)等領(lǐng)域[19]。 晶體可以作為X射線的空間衍射光柵，即當(dāng)一束X射線通過晶體時將會發(fā)生衍射；衍射波疊加的結(jié)果使射線的強度在某些方向上增強、而在其它方向上減弱；分析在照相底片上獲得的衍射花樣，便可確定晶體結(jié)構(gòu)。晶體衍射基礎(chǔ)的著名公式——布拉格定律： 2d sinθ=nλ （2-1） 式中： λ—X-射線的波長 d

43、—點陣平面間距 θ—布拉格（Bragg）衍射角度 衍射的級數(shù)n為任何正整數(shù) 從探測器得到一系列的峰譜可以得到相應(yīng)的一系列衍射晶面間距(d值)，如果從衍射圖上各個峰相應(yīng)的晶面間距(d值)和某晶體的PDF卡片上的d值一致，就可以由衍射譜將晶體的物相結(jié)構(gòu)確定下來。 衍射峰的峰形也可反映樣品的晶粒尺寸。晶粒尺寸的大小會影響衍射峰的尖銳程度。晶粒尺寸較小，導(dǎo)致衍射線束寬化，其間關(guān)系可表示為 Dkhl=kλ/(B1/2cosθ) （2-2） 式中： Dkhl—晶粒大?。ㄑ鼐娲怪狈较颍?/p>

44、 λ—X-射線的波長 B—XRD衍射峰的半高寬（FWHM）強度處的線寬，表示單純因為晶粒度細(xì)化的寬化度，單位為弧度 θ—布拉格（Bragg）衍射角度 本文所用的X-射線衍射儀為SHIMADZU XRD-7000，測試條件為入射光Cu Kα的波長為1.5406 ，管電壓為40kV，電流為30mA，掃描速度為4/min，掃描范圍10 -80 。 圖2-2 X射線衍射儀 2.3.2紫外-可見光分光光度計 紫外-可見光譜儀涉及的波長范圍是0.2-0.8微米（對應(yīng)的波數(shù)為50000-12500cm-1），測量光譜可以進行定性分析及定量計算。物質(zhì)的吸收光譜本質(zhì)上就是物質(zhì)中的分子和原子吸收了入

45、射光中的某些特定波長的光能量，相應(yīng)地發(fā)生了分子振動能級躍遷和電子能級躍遷的結(jié)果。由于各種物質(zhì)具有各自不同的分子、原子和不同的分子空間結(jié)構(gòu)，其吸收光能量的情況也就不會相同，因此，每種物質(zhì)就有其特有的、固定的吸收光譜曲線，可根據(jù)吸收光譜上的某些特征波長處的吸光度的高低判別或測定該物質(zhì)的含量，這就是分光光度定性和定量分析的基礎(chǔ)。 本文采用UV-350/S型紫外-可見光分光光度計測量CdS薄膜的吸收率及透射率，并通過透射率計算了薄膜的光學(xué)帶隙。 2.3.3原子力顯微鏡（AFM） AFM全稱Atomic Force Microscope，即原子力顯微鏡，它是繼掃描隧道顯微鏡之后發(fā)明的一種具有原子級

46、高分辨的新型儀器，當(dāng)原子間距離減小到一定程度以后，原子間的作用將迅速上升。因此，由顯微探針受力的大小就可以直接換算出樣品表面的高度，從而獲得樣品表面形貌的信息?？梢栽诖髿夂鸵后w環(huán)境下對各種材料和樣品進行納米區(qū)域的物理性質(zhì)包括形貌進行探測，或者直接進行納米操縱；現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、納米功能材料、生物、化工、食品、醫(yī)藥研究和科研院所各種納米相關(guān)學(xué)科的研究實驗等領(lǐng)域中，成為納米科學(xué)研究的基本工具。 本文使用日本島津SPM9500-J3型原子力顯微鏡對ITO玻璃襯底CdS薄膜表面形貌進行觀察和分析，采用靜態(tài)模式，掃描范圍為2.5μm2.5μm。 圖2-3 原子力顯微鏡 第三章 結(jié)果與

47、討論 磁控濺射鍍膜過程中，工藝參數(shù)的變化對薄膜的組織結(jié)構(gòu)、透光率等性能有很大影響。本章主要探討磁控濺射中濺射功率、濺射時間、襯底溫度、工作氣壓及靶間距對CdS薄膜的表面形貌特征、厚度、透光率和結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。 3.1功率對CdS薄膜性能影響 圖3-1是不同濺射功率條件下制備的CdS薄膜的實物照片。 圖3-1 不同濺射功率CdS薄膜 3.1.1 XRD分析 圖3-2 不同濺射功率的CdS薄膜XRD圖譜 圖3-2是不同功率制得的CdS薄膜的XRD衍射圖譜，XRD圖樣記錄了以4的速度步進掃描從10到80掃描的結(jié)果?？梢钥吹剑瑸R射功率為20W時，制備的試樣的XRD圖譜

48、的衍射峰很弱，表明20W的CdS薄膜結(jié)晶不好，這可能是因為20W的濺射功率過小，不足以制備具備較好晶體結(jié)構(gòu)的CdS薄膜。下面只分析濺射功率為40W、60W、80W的CdS薄膜的XRD數(shù)據(jù)。 在2θ 等于26.72處鉛鋅礦結(jié)構(gòu)的六角相H(002)和閃鋅礦結(jié)構(gòu)的立方相C(111)晶面的衍射峰位相差很小，難以區(qū)分。 2θ等于35.40、48.05、50.75、54.72處出現(xiàn)了六角相衍射峰H(102)、H(103)、H(200)、H(004)，2θ等于30.41處出現(xiàn)了立方相C(200) 衍射峰，表明上述樣品為六角相和立方相的混晶結(jié)構(gòu)。2θ等于26.72處H(002)/C(111) 的衍射峰位相

49、對強度較大，表明CdS 薄膜擇優(yōu)取向明顯。隨功率的升高，2θ等于26.72處衍射峰逐漸增強，表明CdS薄膜C(111)/H(002)晶面的擇優(yōu)取向隨功率的升高而增強。 3.1.2 AFM分析 圖3-3為濺射功率為40W、60W、80W的CdS薄膜試樣，從圖中可以大致看出晶粒尺寸隨功率的增強而增大。由于 CdS 薄膜的形貌和顆粒大小會影響薄膜的電學(xué)性能，而原子力顯微鏡(AFM)分辨率高達(dá)納米量級，因此，我們可借助原子力顯微鏡來評估CdS薄膜的質(zhì)量。 (a) (b) (c)

50、 (d) 圖3-3（a）濺射功率為20W試樣（b）濺射功率為40W試樣，（c）濺射功率為60W試樣，（d）濺射功率為80W試樣 圖3-3(a)為濺射功率為20W的薄膜的形貌圖，晶粒尺寸約為115nm，其粗糙度約為3.683nm。圖3-3(b)給出了濺射功率為40W的薄膜的形貌圖，晶粒尺寸約為125nm，其粗糙度約為4.515nm。圖3-3(c) 給出了濺射功率為60W的薄膜的形貌圖，晶粒尺寸約為140nm，其粗糙度約為6.394nm。圖3-3(d) 給出了濺射功率為80W的薄膜的形貌圖，晶粒尺寸約為160nm，其粗糙度約為6.683nm。從數(shù)據(jù)可知隨著濺射功率的增加，晶粒尺寸不斷

51、增加，其粗糙度也隨之增加。而大的表面粗糙度會影響上層配置結(jié)構(gòu)的薄膜太陽能電池吸收層和相應(yīng)pn結(jié)的質(zhì)量，對于下層配置的薄膜太陽能電池則會增大入射光的散射損失[20]。從圖中可以看到較低濺射功率的薄膜表面有一些明顯的孔洞，隨著功率增加而減少。這些孔洞會形成微小的漏電通道而降低電池的旁路電阻，影響電池的性能，隨濺射功率的增大，微孔減少，薄膜更加均勻致密。所以功率較低條件下制備的CdS 薄膜，其致密較差，但過高的濺射功率也會提高CdS 薄膜的表面粗糙度，降低薄膜的光電性能。 3.1.3光學(xué)分析 圖3-4為不同濺射功率的 CdS 薄膜的透過率曲線。由圖3-3中曲線可看出 ,濺射功率為40W的CdS

52、薄膜的透過率曲線的吸收邊陡直，短波區(qū)域透過率低而長波區(qū)域透過率高，大于吸收邊波長的透過率為70%以上。可見, 隨沉積時間增加 ,CdS 薄膜符合作為窗口層材料的要求，盡可能吸收短波區(qū)域的光，而長波區(qū)域的光盡可能透過，被吸收層吸收，這利于提高電池的轉(zhuǎn)換效率。同時，從圖中可以看出透過曲線出現(xiàn)了波浪條紋，即引起干涉，這表明薄膜的結(jié)晶度較好。濺射功率為60W和80W的薄膜透過率明顯低于40W的透過率說明功率的提高會降低透過率，這主要是因為功率提高致使濺射到襯底上的CdS增多，CdS膜厚增加，從而降低了透過率（不同濺射功率的CdS薄膜的膜厚如表3-1所示）。 圖3-4 不同濺射功率CdS薄膜

53、的透射率圖譜 表3-1 不同濺射功率的CdS薄膜的膜厚 濺射功率 膜厚/nm 20W 過薄無法測量 40W 221.7 60W 492 80W 760.7 從圖3-1中可以看出隨著濺射功率的加大，CdS薄膜的顏色越來越深，這是由于濺射功率的增大使沉積到ITO玻璃上的CdS增多，使膜厚增加。20W的試樣幾乎沒顏色是因為濺射功率太低，只有很少的CdS濺射上去，沒有形成薄膜。CdS薄膜的膜厚如上表3-1所示。 薄膜的吸收系數(shù)(α)由下列公式確定。 （3-1）

54、 CdS是一種直接帶隙材料，直接允許躍遷,吸收系數(shù)(α)與b和差距(Eg)的關(guān)系如下。 （3-2） 其中A是常量，h是板材的常數(shù)。 由透過率譜測量得到的吸收系數(shù)α與光子能量hv的關(guān)系，作出(αhv)2- hv的關(guān)系,外推得光學(xué)能隙。濺射功率為40W、60W、80W的試樣所對應(yīng)的禁帶寬度分別為：2.69eV、2.55eV、2.53eV。從光子收集的角度來看 , 能隙的增加 , 有利于天陽能電池轉(zhuǎn)換效率的提高。禁帶寬度變小，吸收邊向長波方向移動，吸收邊發(fā)生“紅移”。 3.2濺射時間對C

55、dS薄膜性能影響 圖3-5是不同濺射時間條件下制備的CdS薄膜的實物照片。 圖3-5 不同濺射時間的CdS薄膜 3.2.1 XRD分析 圖3-6 不同濺射時間CdS薄膜的XRD圖譜 圖3-6, 不同濺射時間制得的CdS薄膜的XRD衍射圖譜，XRD圖樣記錄了以4的速度步進掃描從10到80掃描的結(jié)果?？梢钥吹絏RD圖呈現(xiàn)出清晰尖銳的多晶衍射峰，表明薄膜的結(jié)晶性較好。前面已經(jīng)解釋過，用磁控濺射法制備的CdS存在兩種晶型（立方結(jié)構(gòu)和六方結(jié)構(gòu)）。通過2θ=48.05處的峰H(103)、 2θ=50.75處的峰H(200)、2θ=54.72處的峰H(004)可以看出制備的CdS晶

56、體結(jié)構(gòu)更傾向于六方結(jié)構(gòu)，而且隨著濺射時間的增長H(103)、H(004)晶面的衍射峰逐漸增強，這表示CdS薄膜六方晶結(jié)構(gòu)傾向更加明顯。 3.2.2 AFM分析 (a) (b) (c) 圖3-7 (a)濺射時間45min試樣，(b)濺射時間1h試樣，(c)濺射時間1.5h試樣 圖3-7(a) (b) (c)分別給出了濺射時間為45min、1h、1.5h的CdS薄膜的形貌圖，其晶粒尺寸分別為213.475nm、230nm、235nm，其粗糙度分別約為3.856nm、4.403nm、6.121nm

57、。從數(shù)據(jù)可知隨著濺射時間的增長，晶粒尺寸不斷增加，其粗糙度也隨之增加。這可能是因為隨著濺射時間的增長，CdS晶粒不斷長大，又因為晶粒尺寸的增大，其表面粗糙度也不斷變大，表面越來越粗糙。從圖中可以看到濺射時間較短的薄膜表面有一些明顯的空洞，這些孔洞會形成微小的漏電通道而降低電池的旁路電阻，影響電池的性能。隨濺射時間的增長，微孔減少，薄膜更加均勻致密。所以濺射的時間越長，制備的CdS薄膜質(zhì)量越好。但濺射時間增長會導(dǎo)致薄膜的粗糙度增大，前面關(guān)于功率部分也說明過，表面粗糙度太大會使太陽能電池的pn結(jié)質(zhì)量下降，所以濺射時間應(yīng)該有所控制，時間不能太短也不能太長，應(yīng)根據(jù)需要調(diào)整合適的濺射時間。 3.2.3

58、光學(xué)分析 圖3-8為不同濺射時間的 CdS 薄膜的透過率曲線。由圖3-6中曲線可看出 ,濺射時間不同的CdS 薄膜的透過率曲線的吸收邊陡直，短波區(qū)域透過率低而長波區(qū)域透過率高，大于吸收邊波長的透過率為60%以上?？梢? 隨沉積時間增加 ,CdS 薄膜符合作為窗口層材料的要求，盡可能吸收短波區(qū)域的光，而長波區(qū)域的光盡可能透過，被吸收層吸收，這利于提高電池的轉(zhuǎn)換效率。但隨著濺射時間的增長，CdS 薄膜的厚度也越來越厚，這會降低CdS薄膜的長波區(qū)的透過率，所以為滿足較好的太陽能電池的性能CdS層不能過厚。透過率降低，這可能是因為濺射時間的增長使濺射到襯底上的CdS增多，使膜厚增加，而且晶粒尺寸的增

59、加使入射光折射增強，透射光減少，從而降低了透過率[21]（不同濺射時間的CdS薄膜的膜厚如表3-2所示）。 圖3-8不同濺射時間的CdS薄膜的透射率圖譜 表3-2 不同濺射時間的CdS薄膜的膜厚 濺射時間 膜厚/nm 45min 333.7 1h 536.3 1.5h 854.3 從圖3-5中可以看出隨著濺射時間的增加，CdS薄膜的顏色越來越深，這是由于濺射時間的增長使沉積到ITO玻璃上的CdS增多，使膜厚增加。CdS薄膜的膜厚如表3-2所示。 由透過率譜測量得到的吸收系數(shù)α與光子能量hv的關(guān)系，作出(αhv)2- hv的關(guān)系,外推得光學(xué)能隙。濺射時間為45

60、min、1h、1.5h的試樣的禁帶寬度分別為：2.61eV、2.54eV、2.50eV。這與CdS單晶的禁帶寬度有一些差距，這可能是因為濺射功率較低，薄膜厚度較薄所致。從光子收集的角度來看，能隙的增加，有利于天陽能電池轉(zhuǎn)換效率的提高。從透射圖3-7也可以看出隨濺射時間的增長吸收邊向長波方向移動，同時計算得到禁帶寬度變小，吸收邊發(fā)生“紅移”。 3.3襯底溫度對CdS薄膜性能影響 圖3-9是不同襯底溫度條件下制備的CdS薄膜的實物照片。 圖3-9 不同襯底溫度的CdS薄膜 3.3.1 XRD分析 圖3-10不同襯底溫度的CdS薄膜的XRD圖譜 圖3-10,

61、 不同襯底溫度制得的CdS薄膜的XRD衍射圖譜，磁控濺射法制備的CdS薄膜是混合晶型（立方結(jié)構(gòu)和六方結(jié)構(gòu)兩種）。但是通過主峰周圍的小峰可以看出CdS薄膜的晶體結(jié)構(gòu)以六方結(jié)構(gòu)為主，隨著襯底溫度的增加，2θ=26.72處主峰強度逐漸減小，2θ=30.41處C(200)晶面衍射峰峰強略有減小，CdS薄膜的晶體結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)為六方結(jié)構(gòu)，由此可知六方晶結(jié)構(gòu)的CdS具有較好的熱穩(wěn)定性，這與文獻中所述一致[22]。襯底溫度較低時，在2θ=26.72處C(111)/H(002)的衍射峰位相對強度較大，表明CdS薄膜擇優(yōu)取向明顯。主峰峰強隨襯底溫度的升高而降低，晶面的擇優(yōu)取向變差。 3.3.2 AFM分析 圖

62、3-11為襯底溫度為100℃、200℃、300℃的CdS薄膜試樣。 (a) (b) (c) 圖3-11（a）襯底溫度100℃試樣（b）襯底溫度200℃試樣（c）襯底溫度300℃試樣 圖3-11(a) (b) (c)分別給出了襯底溫度為100℃、200℃、300℃的CdS薄膜的表面形貌圖，其晶粒尺寸分別為160nm、185nm、260nm。晶粒尺寸隨著襯底溫度的增加而增加，這可能是因為襯底溫度的增加促進了CdS晶體的形核長大。但是其表面粗糙度隨著襯底溫度的升高而不斷增大，分別為5.051nm、8.109nm

63、、10.237nm，這是因為CdS晶粒尺寸增大造成的。前文也說過，表面粗糙度過大會導(dǎo)致太陽能電池pn結(jié)質(zhì)量下降，還會降低薄膜的透過率。從圖中可以看到襯底溫度較低的薄膜表面有一些明顯的孔洞，但是隨著襯底溫度增加而減少，這可能是由于襯底溫度較低形核不均勻而形成的微孔。這會形成微小的漏電通道而降低電池的旁路電阻，影響電池的性能，不過隨襯底溫度的增高，微孔減少，薄膜更加均勻致密，但是過高的溫度可能使CdS蒸發(fā)過快，導(dǎo)致薄膜過薄，影響太陽能電池的性能。 3.3.3光學(xué)分析 圖3-12為不同襯底溫度的 CdS 薄膜的透過率曲線。襯底溫度為100℃的試樣圖譜顯示干涉圖樣在透過率譜帶邊有突然的下落，說明C

64、dS薄膜的結(jié)晶度好。薄膜的透過率曲線的吸收邊陡直，短波區(qū)域透過率低而長波區(qū)域透過率高，大于吸收邊波長的透過率約為90%以上?？梢? 制備的CdS 薄膜符合作為窗口層材料的要求，盡可能吸收短波區(qū)域的光，而長波區(qū)域的光盡可能透過，被吸收層吸收，這利于提高電池的轉(zhuǎn)換效率。襯底溫度為200℃、300℃的試樣短波透過率大于100℃試樣，短波區(qū)的透過率隨襯底溫度的升高而升高，這可能是因為襯底溫度的增高使濺射到襯底上的CdS部分蒸發(fā)，使膜厚降低，從而增加了短波區(qū)的透過率。但晶粒尺寸隨襯底溫度的升高而增加，折射光增多，這降低了長波區(qū)的透過率（不同襯底溫度的CdS薄膜的膜厚如表3-3所示）。 圖3-1

65、2 不同襯底溫度的CdS薄膜的透過率圖譜 表3-3 不同襯底溫度的CdS薄膜的膜厚 襯底溫度 膜厚/nm 100℃ 166.7 200℃ 147 300℃ 69 圖3-9為不同襯底溫度的CdS薄膜試樣，薄膜顏色隨著襯底溫度的升高而變淺，根據(jù)表3-3可知薄膜厚度隨襯底溫度增加而降低，這可能是因為隨著襯底溫度的增加，CdS薄膜的蒸發(fā)加快，使薄膜變薄，顏色變淺。 由透過率譜測量得到的吸收系數(shù)α與光子能量hv的關(guān)系，作出(αhv)2- hv的關(guān)系,外推得光學(xué)能隙。襯底溫度為100℃、200℃、300℃的試樣對應(yīng)的禁帶寬度分別為2.64eV、2.87eV、3.0eV。禁帶寬

66、度隨襯底溫度的增加而增加，這可能是由于CdS的蒸發(fā)及晶粒尺寸的改變而引起的。禁帶寬度變大，吸收邊向短波方向移動，吸收邊發(fā)生“藍(lán)移”。測得的禁帶寬度明顯大于2.42eV，這可能是因為襯底溫度升高使CdS薄膜變得太薄所導(dǎo)致的。 3.4工作氣壓對CdS薄膜性能影響 圖3-13是不同工作氣壓條件下制備的CdS薄膜的實物照片。 圖3-13不同工作氣壓的 CdS 薄膜試樣 3.4.1 XRD分析 圖3-14 不同工作氣壓的CdS薄膜的XRD圖譜 圖3-14, 不同工作氣壓制得的CdS薄膜的XRD衍射圖譜，XRD圖樣記錄了以4的速度步進掃描從10到80掃描的結(jié)果?？梢钥吹絏RD圖呈現(xiàn)出清晰尖銳的多晶衍射峰，表明薄膜的結(jié)晶性較好。從圖上我們就可以看出來,在26.72附近出現(xiàn)的較強峰就是CdS的主峰,前面我們已經(jīng)分析過了,僅依據(jù)這個峰我們很難判斷出來制備的CdS薄膜是立方晶型還是六方晶型,不過我們從圖中小峰的位置可以判斷,CdS的晶型應(yīng)該是以六方晶型為主。當(dāng)然我們也不能排除多晶CdS內(nèi)存在立方晶型的可能