張 正 杰，劉 貴 山，馬 鐵 成，薛 成，胡 志 強

(大連工業(yè)大學 紡織與材料工程學院，遼寧 大連 116034)

0 引 言

Cu(In，Ga)Se2(CIGS)薄膜太陽能電池[1]是近年來光伏領域的研究熱點，作為CIGS薄膜太陽能電池的緩沖層CdS有著重要的作用。CdS薄膜具有高透射率和低電阻率的物理性能，而且CdS是直接帶隙半導體化合物，其禁帶寬度為2.4eV[2]。Cu(In，Ga)Se2的帶隙為1.02eV，而增透層ZnO的帶隙為3.2eV，由于帶隙相差較大，二者直接接觸時構成的異質(zhì)結(jié)時的晶格匹配性較差，會導致異質(zhì)結(jié)界面失調(diào)，產(chǎn)生大量缺陷[3]。CdS薄膜作為緩沖層，與CIGS有較好的晶格配比，可以解決晶格匹配失調(diào)的問題[4]。此外，CdS薄膜能夠完整地包覆在CIGS薄膜表面，能有效減少濺射ZnO時對CIGS的損傷；而少量的Cd可以擴散到CIGS表面進行微量摻雜，對改善異質(zhì)結(jié)特性具有重要作用[5]。

水浴法制備CdS薄膜能夠在液體中一次成型，最小范圍控制有毒物質(zhì)的擴散，因此水浴法是一種制備CdS薄膜的最佳方法[6]。除此之外，水浴法制備的CdS薄膜致密度較高，優(yōu)于磁控濺射等其他方法[7]。因此，研究制備工藝對CdS薄膜的晶格結(jié)構、表面形貌和光學性能的影響規(guī)律，對提高電池的轉(zhuǎn)換率有重要意義[8]。

作者采用化學水浴法制備CdS薄膜，通過改變水浴溫度來控制CdS薄膜的結(jié)構生長和光電性能。

1 實 驗

1.1 樣品的制備

在鈉鈣玻璃基體上沉積CdS薄膜，制備前先清洗玻璃基體。首先用無水乙醇超聲波振蕩清洗1h，除去玻璃表面的油污，再用去離子水超聲波振蕩清洗1h，烘箱中80℃干燥1h。

醋酸銨、醋酸鎘為原料，濃度為0.002mol／L，按照1∶1的比例混合，在去離子水中溶解并攪拌均勻。在配置好的溶液中加入一定量的氨水調(diào)整pH，使其達到11.5。將其放置在水浴鍋中并加熱到預定溫度，同時向該溶液中加入一定量0.005mol／L的硫脲，然后攪拌均勻。

將清洗過的玻璃片置于上述溶液中，按順時針旋轉(zhuǎn)，控制轉(zhuǎn)速為120r／min，通過控制水浴溫度在相同時間條件下(30min)制備CdS薄膜。

1.2 樣品的表征

采用日本理學D／MAX－3C型X射線衍射儀表征了CdS薄膜的物相結(jié)構；用JM－6460LV型掃描電子顯微鏡對CdS薄膜的表面形貌進行觀察；用PerkiEImer Lambda35型紫外可見光譜測試CdS薄膜的透光率；用TH2683型絕緣電阻測試儀測試CdS薄膜的電阻，正負極間距為2cm。

2 結(jié)果與討論

2.1 薄膜結(jié)構分析

圖1為化學水浴法在不同水浴溫度的條件下沉積的CdS薄膜的XRD圖。CdS薄膜的XRD只在26.74°存在一個特征衍射峰，對應的是立方晶系的(111)晶面或六方晶系的(002)晶面。根據(jù)文獻[9]可知，在60～90℃形成的CdS薄膜為立方晶系和六方晶系混合組分，薄膜在C(111)／H(002)晶面擇優(yōu)取向生長顯著。CdS薄膜的衍射峰強度隨水浴溫度的升高而升高，說明結(jié)晶程度隨水浴溫度升高而得到增強，擇優(yōu)取向生長也更為明顯，且晶體顆粒在高于80℃時得到了充分的生長，這一結(jié)果在圖2中得到了證實。

圖1 不同溫度CdS薄膜的XRD譜圖Fig.1 XRD patterns of CdS films at different temperature

圖2 不同溫度CdS薄膜的SEMFig.2 SEM images of CdS films at different temperature

SEM觀察到的不同水浴溫度下CdS薄膜表面形貌如圖2所示，晶粒細致且均一，約50nm。60℃時CdS薄膜較松散，隨著溫度的升高，CdS薄膜表面致密度提高，晶粒略有長大。對比80和90℃的結(jié)果，薄膜的致密度和顆粒尺寸變化不大。

2.2 性能分析

圖3為不同沉積溫度下CdS薄膜的透光率曲線。在550～800nm的可見光區(qū)域內(nèi)，平均透光率均超過78%，隨沉積溫度的升高，CdS薄膜的透光率逐漸降低。這是因為水浴溫度較低時，硫脲分解緩慢，基片上沉積的CdS顆粒較少，成孤島狀，未形成連續(xù)的薄膜。溫度逐漸升高后，硫脲能夠迅速分解，CdS薄膜逐漸成層狀形式生長，薄膜能夠連續(xù)生長，并且薄膜致密度也隨之增大。因此隨溫度的升高，薄膜的透光率下降。

圖3 不同溫度CdS薄膜的透過率Fig.3 Transmittance spectra of CdS films at different temperature

利用離子束和磁控濺射法制備的CdS薄膜[10－11]的光 吸 收 邊都在500nm 左右，500nm 以下的光幾乎不透過，而化學水浴法制備的CdS薄膜的透光率在500nm以下仍可以達到40%以上，有利于提高CIGS吸收層薄膜的光吸收系數(shù)。

圖4為CdS薄膜光子能量hν與(αhν)2的關系圖。隨著水浴溫度的升高，CdS薄膜的禁帶寬度逐漸增大，接近CdS晶體帶隙值2.45eV，說明溫度升高，CdS薄膜的結(jié)晶質(zhì)量提高，缺陷態(tài)減少且接近CdS的化學計量比，可在一定程度上減少光生載流子的復合。

經(jīng)測量，CdS薄膜的電阻值均較高，達到了108Ω，滿足CIGS薄膜太陽電池的基本要求。

圖4 (αhν)2 與光子能量hν的關系圖Fig.4 Plot of (αhν)2 vs photo energy hνfor CdS thin films

3 結(jié) 論

采用化學水浴法以醋酸銨和醋酸鎘為原料在鈉鈣玻璃基底上制備CdS薄膜，薄膜在(111)／(002)晶面擇優(yōu)取向生長，且隨水浴溫度的增加，取向優(yōu)勢更加明顯，薄膜的結(jié)晶程度和致密度得到提高，晶粒尺寸略有增大，其透光率逐漸降低，但平均透光率均為78%以上。

溫度的提高，薄膜光學帶隙值接近CdS晶體2.45eV，也進一步證明了CdS薄膜晶體程度的提高，減少光電載流子復合的幾率，有利于提高CIGS薄膜太陽電池的轉(zhuǎn)換效率。

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