CdS薄膜及其太阳能电池的制备和性质研究

1、 韭夏至亟左堂亟±堂位监室4S遵堪的造堂挂厦塑缝捡的研究3.2.2CdS薄膜的SEM谱分析 图3.6CdS/ITO薄膜的SEM谱(A没做任何处理(B直接退火(cCdCl2处理后退火Fig.3.6SEM images ofCdS/ITO thin films(Aas depositedannealed(CcdCl2treated and annealedSEM是获得材料表面形貌的重要手段之一,从材料表面形貌可以了解材料的结构。因而我们测量了不同退火方法得现的CdS薄膜的SEM谱如图3.6所示,其中标记A的为没有任何处理的CdS薄膜的SEM图,标记B的为退火后CdS薄膜的SEM图,标记C

2、的为CdCl2处理后退火的CdS薄膜的SEM图。从图中看出没有任何处理的CdS薄膜的晶粒细小均匀,晶粒大小约为100nm;退火后的CdS薄 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：举关彼 签字日期 剐年月乒日 CdS薄膜及其太阳能电池的制备和性质研究 作者： 学位授予单位： 常笑薇 北京交通大学

3、相似文献(10条 1.学位论文 夏兰 CdS/CdTe太阳能电池中CdS薄膜的制备及其特性研究 2007 薄膜太阳能电池作为一种新的能源材料正在得到迅速的发展和进步，CdS/CdTe多晶薄膜太阳能电池由于具有成本低廉、性能稳定、工艺简单等特点受到 了广泛重视。其中，CdS薄膜既作为CdS/CdTe多晶薄膜太阳能电池p-n结的n型材料，也作为电池的窗口层，其质量直接影响CdTe薄膜的制备，更重要的是影 响电池的光电转换效率及其寿命。 制备CdS多晶薄膜的方法很多如，电沉积法(ED、近空间升华法(CSS、丝网印刷法(SP、分子束外延(MBE、物理气相沉积法(PVD、溅射法和化学水浴 法(CBD等。

4、其中，化学水浴法工艺简单，成本低廉，且易于实现大规模生产，因而受到人们的广泛重视。本文亦采用化学水浴法沉积CdS薄膜，探讨了成膜 溶液的温度、pH值、反应物浓度(包括硫脲及NH<,4>C1浓度等条件对CdS薄膜质量的影响，并对薄膜进行不同条件的热处理，着重研究低温下CdS薄膜的制备 ，得到以下主要结论： 1由XRD分析可以确定CdS薄膜沿着(111方向高度择优取相，属于立方相结构，退火处理不会改变晶体结构，说明CdS薄膜部分重结晶，并未发生相变 。 2在沉积CdS薄膜的过程中，在沉积时间为15分钟时，CdS薄膜厚度达到最大60nm，此后膜厚将不会改变。 3当沉积温度为65；pH值为

5、9.5：CdCl<,2>、硫脲、NH<,4>C1浓度比为1：5：15时，得到均匀、致密、附着力较强、光电特性良好的CdS薄膜。 4本文只初步研究各种条件下退火对CdS薄膜性质的影响，但尚未找到最佳退火条件。 2.学位论文 孙学柏 CdS/CdTe薄膜太阳能电池的制备及其特性研究 2006 CdS/CdTe薄膜太阳能电池的制备及其特性研究，是一项国际前沿课题。在光伏领域有广阔的发展前景。其中CdS薄膜做为电池的窗口层，其质量直接影 响在此基础上制备的吸收层CdTe薄膜质量的好坏，对电池的效率和寿命是非常重要的。在CdS薄膜的众多制备方法中，化学沉积(CBD方法设备简单、成

6、本低 廉，是最有发展潜力的方法。但是在化学沉积制备CdS薄膜的过程中，总伴随着两个机制，即发生在溶液中的同质沉积和发生在衬底上的异质沉积。同质沉 积产生大量CdS颗粒，浪费原料，不利于CdS薄膜的生成。异质沉积有两种过程：一种是在衬底上吸附CdS颗粒的过程称为簇簇机制，其导致薄膜形貌粗糙、 疏松。另一种称为离子离子机制，由这种机制得到的CdS薄膜均匀致密、平整。由于各种机制在溶液中支配的沉积过程相互竞争，如何控制实验条件，快速 制备均匀平整无针孔的CdS薄膜始终是各个实验室研究的焦点。 本文通过对沉积温度、沉积时间、溶液的浓度配比、pH值等影响反应过程的参数进行优化，用化学沉积方法(CBD制备

7、了均匀致密的CdS薄膜。由于通常 CBD方法制备的CdS薄膜有良好的化学配比，所以有很高的暗电阻和很高的光敏系数，然而退火对薄膜的结构、晶粒尺寸、光能隙、载流子寿命都有重要的影 响。研究了退火对CdS薄膜的影响。此外涂敷CdCl2处理在其他半导体光伏器件上有巨大的作用。实验还通过XRD、SEM、光谱等手段研究了涂敷CdCl2退火处 理对CdS薄膜的影响。发现CdCl2处理对CdS薄膜的质量有显著改善。用CSS方法制备了CdTe薄膜太阳能电池，并对电池的性能进行了探讨。 3.期刊论文 敖建平.徐勤友.孙国忠.Ao Jianping.Xu Qinyou.Sun Guozhong 水浴沉积法制备太阳

8、能电池用CdS薄膜 南昌航空工业学院学报（自然科学版）1999,13(3 本文用化学沉积法和电化学沉积法制备太阳能电池用半导体薄膜硫化镉(CdS,对成膜的影响因素进行了测试.结果表明,化学沉积CdS质量较好,沉积速度 较慢,受pH的影响较大,且水浴容器壁上沉积有大量的CdS膜.电化学沉积CdS的电流密度在0.52.5 mA/cm2的范围内,沉积速度快,材料消耗少,但是对电流密 度过于敏感,成膜参数难以控制. 4.学位论文 万磊 铜铟硒薄膜太阳能电池相关材料研究 2010 铜铟硒(CIS或铜铟镓硒(CIGS和硫化镉(CdS是制造薄膜太阳能电池的非常优良的化合物半导体材料，CIGS 太阳能电池有非

9、常高的光电转化效率，目 前已经达到19.9%。为了推进CIGS 薄膜太阳能电池的商业化进程，需要开发大面积和低成本的薄膜沉积方法。电化学沉积(electrodeposition，简称ED和 化学浴沉积(chemical bath deposition ，简称CBD均不受衬底面积、沉积温度和真空环境的限制，是两种非常有吸引力的薄膜沉积方法。但是这两种制备 方法也存在一些问题，如沉积出的薄膜结晶性和电学性质都不尽如人意，因此有必要优化ED 和CBD 过程，并通过热处理提高薄膜的结晶性。在各类热处理 中，我们重点研究了化学浴沉积的CdS 薄膜的CdCl2 热处理、一步电化学沉积的CIS 预制膜的硒化

10、热处理和蒸发沉积的InSe/Cu 叠层预制膜的硒化热处理。 在第一章中，我们首先介绍了太阳能电池的发展和光伏发电的基本原理，然后介绍了CuInSe2 薄膜太阳能电池的发展以及电池中各层薄膜的功能和制备方法 ，最后论述了CuInSe2 和CdS 材料的物理性质。 在第二章中，我们研究了CdCl2 热处理促进化学浴沉积的CdS 薄膜再结晶的机制。为此我们进行了CdCl2 热处理(有CdCl2 涂层和空气热处理(无CdCl2 涂 层的对比研究。空气热处理的CdS 薄膜表面被部分氧化，而CdCl2 热处理的CdS 薄膜由于Cl 离子在CdS 中的扩散机制保护其未被氧化，进而通过CdS 点缺 陷的研究揭

11、示了这种抗氧化机制。并且在热处理过程中做了原位拉曼光谱研究，对CdS 薄膜的结构变化尤其是立方-六方相变进行了实时监测，最后联合其 他测试手段揭示了CdCl2 热处理促进CdS 再结晶的机制。为了制备高转化效率的CdS/CdTe 太阳能电池，我们优化了CdS 薄膜的化学浴沉积方法，制备出具 有(002 择优取向的六方相CdS 薄膜，并研究了其生长机制。在深刻理解高质量n 型CdS 薄膜形成过程的基础上，本实验室其他研究生利用我们制备的CdS 薄膜，得到了12.4%的光电转化效率的CdS/CdTe 太阳能电池。 在第三章中，我们通过硒化一步电沉积的Cu-In-2Se(原子比预制膜制备了p 型Cu

12、InSe2 薄膜。为了得到太阳能电池可用的高质量、致密、均匀的CuInSe2 薄膜，我们系统地研究了硒化过程中衬底温度和预制膜成分对薄膜最终结构的影响。在不同硒化条件下，预制膜经历了非常不同的化学反应路径。薄膜的最 终结构和其中存在的物相取决于预制膜成分、硒化温度和硒化升温曲线。聚集在薄膜表层的低熔点的CuxSe 相起到助熔剂和输运元素的作用，可以有效地辅 助CuInSe2 晶粒生长。通过优化硒化工艺，得到了结晶性很好的黄铜矿结构CuInSe2 薄膜，在此基础上制备的Glass/Mo/CIS/CdS/ZnO 太阳能电池取得了初 步的结果。为了探索电化学沉积的CuInSe2 薄膜中各种不同的相，

13、我们进一步研究了在83 K-723 K 温度范围内电沉积CuInSe2 薄膜的变温拉曼光谱。低温 下用拉曼光谱探测到CuInSe2 化合物中的CuAu 相。参考声子色散曲线，并用Ridley 模型对CuInSe2 的变温拉曼光谱的峰位和线宽进行了拟合，结果表明 ，黄铜矿结构CuInSe2 的A1 振动模非对称地衰减为两个不同频率的声子。探究了CuAu 结构CuInSe2 的A1 振动模从低温上升至400 K 时不发生频率移动的 反常现象。为了优化CuInSe2 薄膜的带隙宽度，我们采用H2S 硫化一步电沉积Cu-In-2Se 预制膜的方法制备出结晶性较好的CuIn(Se,S2 薄膜。此外我们还

14、 用电沉积的方法制备出CdTe 薄膜，并在此基础上得到开路电压超过500 mV 的CdS/CdTe 太阳能电池。 在第四章中，我们用先蒸发Cu/InSe 叠层预制膜再硒化的方法制备出结晶性好、物相均一的黄铜矿结构CuInSe2 薄膜。研究了硒化过程中不同温度发生的化 学反应和生成的物相，讨论了生成黄铜矿结构CuInSe2 的化学反应路径。为了得到器件级别的CuInSe2 薄膜，我们对其进行了溴甲醇蚀刻并研究了蚀刻机理 。此外，研究了CuInSe2 薄膜太阳能电池背电极Mo 和窗口层ZnO:Al 薄膜的沉积过程，讨论了溅射气压和功率密度对Mo 层性质的影响，制备出具有双层结 构的Mo 层，其附着

15、力、导电性和结构性质都十分优良。研究了衬底温度和负离子轰击对ZnO:Al 薄膜电学、光学和结构性质的影响，制备了可见光区域内高 透过率(>90%和低电阻率(1.1×10-3 .cm的ZnO:Al 薄膜。 5.学位论文 武莉莉 CdTe/CdS多晶薄膜及其异质结界面的研究 2001 本论文的研究内容系“九五”科技攻关项目-族化合物半导体多晶薄膜太阳电池的研制的一部分。论文以CdTeCdS薄膜及其异质结为研究 对象，目的在于：1研究CdCl_2气相退火对CdS薄膜微结构、能隙宽度、电导率的影响。2找出CdTe薄膜的最佳退火条件。3探索氧气在近空间升华沉积 CdTe薄膜过程中的作用。

16、通过系统研究，获得以下主要成果：1首次发现无CdCl_2处理的CdS膜在410退火后出现金属镉的衍射峰。退火使CdS薄膜的光能 隙从刚沉积的2.51ev减小到2.40eV左右，接近CdS单晶的值(2.42eV。410退火30分钟的CdS薄膜的光、暗电导比最大，电学性能最好。CdS薄膜的光电导衰 变曲线经过拟合，可以反映出薄膜内部杂质缺陷态的相对多少。2获得了CdTe薄膜的最佳退火条件380+CdCl_2处理。观察到CdTe薄膜的再结晶过程 发生在退火380附近。 6.学位论文 欧阳珉路 CdS纳米薄膜的制备及CdS复合薄膜在太阳能电池中的应用 2009 煤、石油和天然气等传统非再生能源在我们的

17、生活中起到了非常大的作用，但是由于这些能源储量有限，还会带来环境问题，使得人们越来越关注新能 源的开发和利用。其中，太阳能电池作为一种清洁的新能源而倍受青睐。 硫化镉（CdS）作为一种n型半导体，其禁带宽度为2.42eV，非常适合作为异质结薄膜太阳能电池的窗口材料。同时由于CdS薄膜易于制备、成本低廉 ，使其成为太阳能电池研究中的热点。本文主要包括两部分内容：一、采用水热法制备了CdS薄膜，并研究了各种反应条件对CdS薄膜生长的影响。二、将 CdS薄膜与Cu2O、CdTe和p型硅片复合，组装成异质结薄膜太阳能电池，并测定了电池的性能。 在第一部分内容中，采用化学水浴（CBD）法在乙酸镉、硫脲和

18、氨水的溶液体系中制备出CdS薄膜。通过改变实验条件，研究了乙酸镉、硫脲的初始浓度 、pH值、温度等因素对CdS薄膜生长的影响。还通过XRD、SEM、紫外可见吸收光谱等各种表征手段研究了CdS薄膜的内部结构和性能，并通过实验总结出了水 热法制备CdS薄膜的最佳条件，并制备出均匀、致密、厚度可控的CdS薄膜。 在第二部分内容中，采用CBD法和电沉积法制备了CdS/Cu2O、CdS/CdTe和CdS/p-Si薄膜，并组装成异质结薄膜太阳能电池，并测试了太阳能电池的性能 ，分别得到了光电转换效率最大为0.05、1.137和1.38×10-4的异质结薄膜太阳能电池。同时通过改变薄膜的厚度，测试

19、了不同厚度的窗口层和吸收 层对太阳能电池性能的影响。 7.期刊论文 储祥蔷.谢大弢.孟铁军.王莉芳.朱凤.向蓉.全胜文.赵夔.陈佳洱 对超声波作用下的化学浴沉积方法制备 CdS薄膜的谱学分析 -光谱学与光谱分析2003,23(4 用化学浴沉积法制备了CdS薄膜, 并研究了加超声波对CdS薄膜生长过程的影响. 利用卢瑟福背散射, X-射线粉末衍射和扫描电子显微镜对薄膜的厚度、 晶相和表面形貌进行了表征. 结果表明施加超声波的作用能有效地改善薄膜的质量, 制备出均匀、致密的有较好的晶体结构CdS薄膜. 同时, 通过时间的控 制可以精确地控制薄膜在50 nm左右, 以满足制备太阳能电池的特殊要求.

20、8.学位论文 潘维 CdS薄膜光电化学电池及其离子识别特性的研究 2006 光电化学电池近几十年在光解水、燃料电池、光电转换等方面的研究取得了巨大的进展，特别是近年来染料敏化太阳能电池的成功，让人们看到了低成 本、高效率太阳电池的希望。而硫化镉是一种在异质结薄膜太阳电池方面有着广泛研究和应用的光电子信息材料。本文创新性的提出了利用光电化学电池识 别和检测离子的方法。由于光电化学电池的性能受制于其电解质溶液的类别和组成，不同的离子将引起光电化学电池性能不同的变化。这种识别和检测离子 的方法具有灵敏性高、响应迅速的特点。其抗干扰能力有待进一步提高。 文中详细介绍了光电化学电池的原理、应用和研究现状

21、，以及CdS薄膜材料的制备方法和研究进展。研究了CBD(Chemical Bath Deoosition法制备 CdS薄膜以及沉积条件与CdS薄膜生长的关系，从理论上分析和探讨了CBD法沉积CdS薄膜的生长机理。在此基础上制备了电解质溶液可流通的CdS薄膜光电化 学电池。测得最大光电流达到微安级。电解质溶液可流通的设计可以迅速地改变电解质溶液的组成，方便考察电解液中不同物质对光电化学电池性能的影响 。实验中发现此光电化学电池对Cd<'2+>、S<'2->有着特别的响应，因此提出利用CdS薄膜光电化学电池识别和检测Cd<'2+>、S&l

22、t;'2->的方法，并得到以下结 论： 1CdS薄膜光电化学电池对Cd2<'2+>有着高选择性的识别。在0.1mol-L<'-1> KN0<,3>作为电解液的背景下，与其他各种金属离子比较，只有掺入 Cd<'2+>是使光电流下降的。这种现象可能由于CdS多晶薄膜存在着对Cd<'2+>特性的晶界吸附，促使电极表面Fermi能级“钉扎”(Fermi-level pinning，以及这种吸附表现在对空间电荷层电场的作用上，增大电子-空穴的复合机率，降低了光电势。这将使其可能发展成为一种新颖的Cd

23、2<'2+>传感 器。 2CdS薄膜光电化学电池的光电流和Na2S的浓度大小成一定的线性关系，检测下限达到10<'-6>mol-L<'-1>，将其发展成一种S<'2->传感器成为可能。 硫化物电解液通常允许在半导体中有相当大的起始能带弯曲，因而可得到大的光电势。S<'2->阴离子的特性吸附使得平带电势更负，结果光电势更进一步增 大。可以解释在相同的高浓度(如10<'-2>mol-L<'-1>下，S<'2->作为电解液得到的阳极光电流大于

24、其它离子。但是在其他阴离子存在的情况下，光电流对 S<'2->的响应变得不明显，此方法的抗干扰性较差，有待进一步研究。 9.学位论文 张永刚 Cu<,2>O纳米复合膜的制备及应用研究 2007 复合材料是由两种或两种以上性质不同的纳米材料通过物理和化学复合，组成具有两个或两个以上相态结构的材料。该类材料不仅性能优于组成中的任 意一个单独的材料，而且还可具有单独组分不具有的独特性能。 Cu2O是一种P型半导体，其直接禁带宽度为20eV，在制氢、超导、太阳能电池和电极材料方面有重要应用。它也被用于可见光降解有机污染物。本论 文研究了Cu2O与其它半导体即TiO2和C

25、dS形成的复合材料的性质及其应用。论文主要包括二部分内容：1.Cu2O与TiO2组成复合材料，并用喷涂法在玻璃表面 制成TiO2Cu2O复合膜。该复合膜被用于降解有机废水；2.制备了Cu2O/CdS薄膜，并初步研究了该复合膜在太阳能电池中的应用。 在第一部分内容中，采用电化学方法制备了TiO2Cu2O纳米复合材料，并用喷涂法在玻璃表面制成TiO2Cu2O复合膜。用正交设计法研究了 TiO2Cu2O复合膜与Fe2+EDTA构成的Fenton试剂在可见光照射下催化降解亚甲基兰的性能，并用实验证实了H2O2存在。结果显示，TiO2Cu2O复合膜光催 化降解性能明显优于TiO2膜和Cu2O膜。基于价带

26、理论对TiO2Cu2O复合材料的光催化作用机理进行了探讨，并用XPS数据证实了Ti3+的存在，为机理提供了 实验依据。 在第二部分内容中，采用化学水浴法制备了CdS膜和Cu2O/CdS薄膜。XRD测试结果表明：CdS和Cu2O都为立方晶体结构。XPS数据进一步证明了XRD测试结 果。由透射光谱可计算出CdS薄膜的禁带宽度为234eV，Cu2O/CdS薄膜的禁带宽度为217eV。四点探针法测定Cu2O/CdS薄膜的电导率为1201cm1。研 究了Cu2O/CdS薄膜在太阳能电池方面的应用，制备了Cu2O/CdS/ZnO/ITO薄膜电池。Cu2O/CdS/ZnO/ITO薄膜在太阳光照下，当电压为0

27、时电流为200A，电流 为0时电压为019V，说明有光电流产生。 10.学位论文 张兴良 太阳能电池CuInS<,2>薄膜和ZnS薄膜的制备与性能研究 2010 CuInS2(CIS作为一种-2型无机三元半导体化合物，是直接带隙的半导体，吸收系数较大，大约为104-105 cm-1，其光学禁带宽度为1.50 eV左 右，非常接近太阳能电池材料的最佳禁带宽度1.45 eV。与CuInSe2、CuInGaSe2、CdTe等化合物薄膜太阳能电池材料相比，CuInS2不含任何有毒的成分，是 一种非常具有发展前途的太阳能电池材料。 目前，CIGS基薄膜太阳能电池的制备多采用CdS薄膜作为缓冲层，但CdS的薄膜禁带宽度只有2.4 eV，对电池吸收层的短波响应有一定的影响，而且CdS中的 Cd是有毒重金属，与之相应的安