化學(xué)水浴法制備In2S3薄膜的組織和性能研究

2013-09-25 王衛(wèi)兵上海理工大學(xué)

　　采用化學(xué)水浴(CBD) 法在InCl3.4H2O 和CH3CSNH2 的酸性混合溶液體系中分別通過改變pH 值、溶液nIn: nS 濃度比及溶液溫度參數(shù)依次制備In2S3 薄膜，并通過X 射線衍射、掃描電鏡及紫外/ 可見/ 近紅外分光光度計(jì)等手段系統(tǒng)研究不同工藝下制備In2S3 薄膜的晶相結(jié)構(gòu)、表面形貌及光學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn): 溶液pH 值對(duì)制備In2S3 薄膜有很大的影響，在pH 為1.8制備的In2S3 薄膜性能較好；溶液nIn: nS 濃度比影響薄膜的致密性，在1B4 時(shí)相對(duì)較好；CBD 法制備薄膜最佳溶液溫度為80℃ 。在優(yōu)化工藝參數(shù)下制備的In2S3 薄膜可見光透過率在90%以上，禁帶寬度為2.72eV，能夠滿足CIGS太陽(yáng)能電池緩沖層薄膜的要求。

　　銅銦鎵硒(CIGS) 薄膜太陽(yáng)能電池具有成本低、光電轉(zhuǎn)化率高、性能穩(wěn)定等優(yōu)異的性能，使其成為最有發(fā)展前景的光伏電池之一。CIGS 薄膜太陽(yáng)能電池的典型結(jié)構(gòu)為: 襯底/Mo/CIGS/ 緩沖層/ ZnO/ZAO/MgF2。其中緩沖層在低帶隙CIGS 吸收層與高帶隙ZnO 窗口層之間形成過渡，減少兩者之間的帶隙臺(tái)階與晶格失配，對(duì)改善CIGS 薄膜太陽(yáng)能電池pn 結(jié)質(zhì)量有重要的作用。目前采用CdS 為緩沖層的CIGS 薄膜太陽(yáng)能電池效率已達(dá)到20.3%。然而，由于Cd 對(duì)環(huán)境的污染等不利因素限制了電池的大面積使用，因此研究開發(fā)高效的無Cd 緩沖層材料替代CdS 是緩沖層發(fā)展的主要方向。

　　In2S3 是III-VI 族化合物半導(dǎo)體，性能穩(wěn)定且無毒，有良好的光電性能，可取代CdS作為CIGS薄膜太陽(yáng)能電池的緩沖層。制備In2S3 薄膜的方法主要有超聲噴霧法、濺射法、原子層沉積法等，這些技術(shù)制備的薄膜雖然質(zhì)量好，但成本高、設(shè)備復(fù)雜。而化學(xué)水浴(CBD) 法具有設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低、易于大面積成膜等優(yōu)點(diǎn)，而且在制備過程中對(duì)CIGS 吸收層表面有修復(fù)的作用。因此，本文采用CBD 法通過改變?nèi)芤簆H 值、nIn: nS 濃度比及溫度參數(shù)制備不同的In2S3 薄膜，系統(tǒng)研究不同工藝下制備In2S3 薄膜的晶相結(jié)構(gòu)、表面形貌及光學(xué)性能，以期為In2S3 薄膜的低成本CBD 制備工藝提供指導(dǎo)。

1、實(shí)驗(yàn)材料與方法

　　本實(shí)驗(yàn)采用CBD法在InCl3.4H2O，CH3CSNH2(TAA) ，CH3COOH( AC) 混合溶液中制備In2S3 薄膜,所用的藥品均為分析純。襯底為20 mm × 30 mm× 1mm 的玻璃片，將襯底依次用丙酮、乙醇分別超聲清洗12 min，再用去離子水沖洗后放在保溫箱里面烘干。在恒溫磁力攪拌器下將配置好反應(yīng)溶液的小燒杯放入一定溫度的恒溫水浴槽，襯底豎直固定于反應(yīng)溶液內(nèi)，燒杯口用鋁紙密封，在磁力攪拌下待溶液反應(yīng)完全后取出，用去離子水去除表面雜質(zhì)，再用N2 吹干。

　　采用Bruker 公司的D8 ADVANCE 型X 射線衍射(XRD) 儀分析薄膜的晶相結(jié)構(gòu)，用FEI 公司的QuantaFEG450 型場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡(SEM)分析薄膜的表面形貌，用PerkinElmer 公司的Lambda750(S) 型紫外/ 可見/ 近紅外分光光度計(jì)(UV/ Vis/NIR) 測(cè)試薄膜的透過率,并根據(jù)Tauc 關(guān)系式計(jì)算薄膜的禁帶寬度。