膜在可见光的范围内透过率总体上是不断的下降。
薄膜光学禁带宽度的大小可以用 ( ahv) 22hv曲线 来求得 [ 7] , 因为 ZnS 是直接禁带隙的材料, 其禁带宽
度与吸收系数有以下的关系:
a=
k( hv- Eg ) hv
1 2
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2008年 1月 25日第 25卷第 1期
通信电源技术
Te lecom Power Technologies
收稿日期: 2007209225 作者简介: 王世成 ( 19812) , 男, 江苏盐城人, 北京科技大学硕士 研究生, 主要研究方向为功能材料, 薄膜太阳能电池。
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制备 ZnS薄膜, 用 ( NH4 ) 2 S2 O3作为硫源的还没有见到 报道。利用 SEM、XRD 和 紫外 2可见光透射谱 研究了 制备过程中沉积时间以及退火时间对薄膜的结构、形 貌以及光学性能的影响。
为 200 e 时制得的 薄膜性能较好, 晶体结构为纤锌矿结构。制备的薄膜透过率 ( K> 400 nm )约为 80% , 薄膜的禁带宽度约
为 3. 75 eV。通过添加少量的分散剂丙三醇可以改善 ZnS薄膜质量 。退火温 度为 300 e , 薄膜表面形貌均匀致密。
关键词: ZnS薄膜; 化学 浴沉积法; X射线衍射; 紫外 2可见光光度计
Key words: ZnS thin film s; chem ica l bath deposition ( CBD); XRD; UV2V is spectra
0引 言
ZnS是具有 3. 65 eV 禁带宽度的本征半导体 [ 1] 。 兼有闪锌矿 (面心立方结构即 B2ZnS)和纤锌矿 (六方 结构即 A2ZnS)两种结构 [ 2] 。在铜铟镓硒 (简称 C IGS) 电池中充当缓冲层, 是制作薄膜太阳电池的优良材料。 目前在太阳能薄膜电池中广泛应用的缓冲层是硫化镉 ( CdS)。但是作为过渡层的 CdS 薄膜, 在制备过程中 涉及到有毒的 Cd 离子, 所以需要寻找 一种具有同等 性能且无毒的材料来代替 CdS 薄膜。目前已经有报 道 [ 3] , C IGS /ZnS异质结结构的太阳电池的转换效率已 达到 18. 6% [ 4 ] , 所以 ZnS薄膜有望取代 CdS。
看出薄膜沉积结束。由此可以清楚地看出沉积过程分 为快速增长阶段和饱和阶段两个不同阶段, 这是薄膜 的典型的生长规律 [ 6] 。
图 2为薄膜厚度随温度的变化曲线, 可以看出在 60 e 和 80 e 为快速增长阶段成线性生长。速率大约 0. 7 nm /m in和 1. 0 nm /m in。温度的增加, 提高了离子 的动能与它们内部的相互作用。升温提高了薄膜的沉 积速率, 相同的沉积时间, 温度越高, 溶液中 Zn离子和 S离子消耗 越快, 薄 膜到达饱 和膜厚的 时间就越 短。 由其形貌分析可以知道沉积温度对能否成膜 影响不 大。饱和阶段薄膜的厚度增长不大, 由于水浴内自由 试剂离子浓度急剧下降, 耗尽了硫离子与锌离子, 导致 沉积停止。
Jan. 25, 2008, Vo.l 25 No. 1
式中, hv= hc / K。 而吸收系数与透射率有如下关系: a = ln( 1 /T ) d
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文章编号: 100923664( 2008) 0120066203
Jan. 25, 2008, Vo.l 25 No. 1
设计应用
C IG S太阳能电池缓冲层 ZnS薄膜的制备与表征
王世成 1, 杨永刚 1, 果世驹 1, 倪沛然 2 ( 1. 北京科技大学材料学院, 北京 100083; 2. 无锡爱芯科微电子有限 公司, 江苏 无锡 214028)
沉积薄膜的厚度持续增长的时期是 30 m in到 150 m in。 150 m in之后, 薄膜的厚度没有明显的变化, 可以
图 3 不同退火温度下 ZnS薄膜的透 射光谱
由图 3可以看出, 在可见光范围内透射率达 78%
以上 (T = 200 e ), 在 200 e 退火处理后的透射率有所
上升, 在其他温度退火处理后 ZnS 薄膜的透过率均有 所下降。而且在同一波长下, 随着退火温度的升高薄
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王世成 等: C IGS太阳能电池 缓冲层 ZnS薄膜的制备与表征
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相组成, 靶材为 Cu K a。利用 LEO21450 型扫描电镜对 薄膜的显微结构进行观测, 并用其配备的 Kevex Super2 Dry型能谱 仪 ( EDS) 对其 组成相的 成份进 行能 谱分 析。 DR /4000U 紫外可见分光光度计测量在不同波长 下薄膜的透射率。
本文 采用廉 价的、适用 于大面 积沉积 薄膜 的技 术 ) ) ) 化学浴沉积法 ( Chem ical Bath Deposit ion2CBD ) 制备 ZnS薄膜。采用化学浴沉积法沉积 ZnS 缓冲层, 一般使用氨水以及氨水和水合肼作为 Zn离子的络合 剂。本文探索了采用硫酸锌、( NH 4 ) 2 S2 O3为主要试剂
中图分类号 : TM 341
文献标识码: A
P reparation and Characterization of ZnS Buffer Layers for Cu( In, G a) Se2 Th in F ilm Solar Cells
WANG Sh i2cheng1, YANG Yong2gang1, GUO Shi2ju1, LI P e i2ran2 ( 1. University of Sc ience and Technology, B eijing 100083, China; 2. W uxi AsicM icro E lectron ics Co. Ltd. , W uxi 214028, China)
Abstract: ZnS th in film s were prepa red on glass sides by chem ica l bath depos ition ( CBD ), us ing zinc sulfa te and ( NH 4) 2S2 O3 as precursor aqueous solutions, a little am ount of sod ium c itrate is used as comp lexing agent and glycerol as dispe rse agent, the surfaces of deposited thin film swere hom ogeneous. The qua lity of ZnS film s form ed a t va rious deposition tim es and annea ls tem2 peratures is studied. The properties of ZnS th in film s were investigated by SEM、XRD、UV2V is spec tra . The resu lts of ana lyses show that A2ZnS structure th in film s w ith be tter qua lity can be fabr icated a t annea l tem perature of 200 e and deposition tim e of 90 m in. Transm ission measurem ents show that the optical transm ittance is about 80% when the wave length is over 400 nm. The band gap ( Eg) va lue of the deposited film is about 3. 75 eV. It is found that a little am ount of glycerol can im prove the qua lity of ZnS film s. ZnS film s are un iform ity and compact when annea l tem pe ra ture is 300 e .
1 实验方法
本实验选用了纳钙玻璃为衬底, 将衬底分别在丙 酮、酒精和去离子水中超声 30 m in。用量筒量取一定 体积预先配制好的 0. 5 mol/L 的 ZnSO4# 7H 2O 溶液和 0. 5 mol/L 的 ( NH 4 ) 2 S2 O3溶液; 加入烧杯 中, 持 续搅 拌, 加入一定体积浓度的柠檬酸钠溶液, 作为络合剂和 缓冲剂。用恒温磁力搅拌器不停地搅拌, 再加入一定 体积的丙三醇作为分散剂, 此时溶液变清。将水浴锅 调到合适温度, 将经过预处理的玻璃衬底垂直放入烧 杯中。在烧杯口处盖上表面 皿以防止试剂的 挥发流 失, 开始沉积薄膜, 经过预定时间的沉积, 将样品取出 后, 用去离子水冲去膜表面的固体沉淀粒子, 干燥后得 到能用于测量表征的 ZnS薄膜。在氮气气氛 的保护 下, 将薄膜置于电阻炉中进行退火处理。用 R igaku、 D /MAX2RB型 X2射线衍射仪分析薄膜晶体类型和物
摘要: 以硫酸锌、( NH 4) 2 S2O3混合溶液为前驱体溶液, 加入少量的柠檬酸钠和丙三醇为络合剂和分散剂, 采用化学浴 沉积法在玻璃衬 底上成功制备了表面均匀的 ZnS薄膜。研究了沉积时间和退火时间对 ZnS薄膜质量的影 响, 并 运用扫描
电镜 ( SEM )、X 射线衍射 ( XRD)、紫外 2可见光光度计对薄膜进行分析和表征。结果表明 : 在沉 积时间为 90 m in, 退火温度
按照实验设计要求, 依次改变沉积时间、退火时 间、退火温度。用上述同样的操作多次沉积薄膜, 制得 研究所需的一组薄膜。