真空蒸發在載玻片上沉積CuInS2薄膜(Cu、In、S原子配比為1:0.1:1.2)。摸索CuInS2薄膜發生導電類型轉換z*有效的熱處理條件,研究不同熱處理工藝對CuInS2薄膜的結構、表面形貌、化學成分比和光學性能的影響。實驗給出:沉積的薄膜進行360℃熱處理30min后,得到黃銅礦結構的CuInS2薄膜;SEM分析顯示薄膜表面呈顆粒狀較平整致密性略差,導電類型為N型,薄膜的本征吸收限為1.46eV,直接光學帶隙Eg=1.38eV。對薄膜進行370℃熱處理20min同樣可得到N型CuInS2但含有少量的CuS2成分,薄膜表面致密性變好但粗糙度增大本征吸收限發生紅移為1.42eV,Eg=1.40eV。370℃,30min熱處理后可得到P型CuInS2薄膜,Eg=1.37eV。制備的三種CuInS2薄膜的光吸收系數都在104cm-1數量級以上。CuInS2薄膜中In或Cu元素含量大小,對薄膜的導電類型的變化起著決定性的作用,而薄膜中S和In元素的變化直接取決于熱處理的條件。
CuInS2是I-III-VI族三元化合物半導體,具有很高的光吸收系數,直接帶隙Eg=1.55eV基本不隨溫度而變化,所以是制作薄膜太陽電池吸收層的良好材料。CuInS2的晶體結構有黃銅礦、閃鋅礦及未知結構的同素異形體。理論計算給出同質結CuInS2太陽電池的轉換效率可達32%。2004年日本H.Goto等用蒸發Cu-In再硫化研制出CuInS2薄膜太陽電池z*高效率為13%。CuInS2薄膜的導電類型可是P或N型,通過控制材料的本征缺陷濃度和改變Cu、In含量比達到改變導電類型的目的。CuInS2薄膜的光學性質主要取決于材料表面粗糙程度、晶粒大小、各元素的組分比及均勻性、晶格結構和晶界的影響。
由于CuInS2材料允許各組分偏離化學計量比范圍較廣、不必借助外加雜質,在降低太陽電池成本和提高光電轉換效率有著較大的優勢和發展前景。所以研制CuInS2薄膜太陽電池及材料有重要學術、應用價值及意義。制備CuInS2薄膜方法較多如:真空蒸發、噴霧熱解法、電沉積法、濺射法、化學水浴法等。熱蒸發制備CuInS2薄膜具有操作簡單、不需事先預制合金膜、重復較好等優點,是常用的薄膜沉積的方法。目前研制P型CuInS2薄膜較多,對N型的CuInS2關注的較少。本研究采用高純Cu、In和S粉混合后,單源共蒸發沉積CuInS2薄膜,再對薄膜進行合適的熱處理,研究熱處理對CuInS2薄膜的導電性能轉變及光學性能的影響。
1、實驗
1.1、薄膜的沉積
用DM-450A型真空鍍膜機沉積薄膜,襯底是載玻片用四氯化碳、丙酮、乙醇擦凈,超聲處理后超純水清洗。因Cu、In和S的蒸發速率、溫度及飽和蒸汽壓相差較大,如果按照CuInS2標準化學比來配制蒸發用的Cu、In和S的混合粉末,很難得到單一相的CuInS2薄膜。所以根據熱蒸發速率公式先對三種元素的蒸發速率比進行估算,再進行蒸發混合粉末的配比。計算出三種元素的z*大蒸發速率分別為:Cu是1.27×1019、In是1.08×1019、S元素為2.12×1019(個/cm·s,Pa)。在飽和蒸氣壓為1.33×10-3 Pa時,S的蒸發溫度z*低:856K,In是914K,Cu為1197K,因此可知在蒸發過程S元素蒸發z*快,在配比中應相對減少S粉的量。經多次重復實驗得到z*有效的蒸發混合粉末中三種元素原子比是Cu:In:S=1:0.1:1.2。將配制好的高純Cu、In和S粉研磨均勻放入高純鉬舟中蒸發,系統真空度4.0×10-3 Pa,蒸發電流190A,時間6min。
1.2、薄膜的熱處理工藝
XRD測試給出,熱蒸發沉積的CuInS2薄膜是結晶狀態很差的多晶或非晶結構,因熱蒸發法制備的薄膜存在許多的晶界及缺陷,主要來源于薄膜在生長過程中,受材料、沉積速率、粘附系數、凝結速率、接合速率及成核密度等多方面因素的影響。為改善薄膜的結晶,對薄膜進行合適條件的熱處理以減少薄膜內的針孔密度、晶界等缺陷。熱處理的實質是為沉積的粒子在高溫下,獲得足夠的動能促使其遷移就會出現晶粒長大和晶界平直化的結果,修補斷鍵使偏離平衡位置的原子重新歸位,改善薄膜的結構性能。
為防止不同批次實驗產生的誤差,將沉積的薄膜同時放在石英舟上,同時在擴散爐中N2保護進行熱處理。熱處理溫度選擇8種條件:350℃、360℃、370℃、380℃、390℃、400℃、410℃、420℃;時間選擇:20min、25min、30min、35min、40min。
本實驗熱處理的結果給出:低溫、短時熱處理的CuInS2薄膜晶化程度較差;高溫、長時間處理的薄膜中S元素流失過多,都不利于獲得結晶狀況良好的薄膜。z*有效的熱處理條件為:370℃熱處理20min得到N型CuInS2薄膜;370℃熱處理30min得到P型CuInS2薄膜。
3、結論
本實驗用單源共蒸法在玻璃襯底上沉積制備出兩種導電類型的CuInS2薄膜。N型CuInS2薄膜中均含有少量的CuS2的成分,薄膜仍是黃銅礦結構具有CuInS2的物理、化學特性。
實驗給出適當的熱處理工藝可改善CuInS2薄膜的結晶狀況,是薄膜發生導電類型轉變的重要條件。制備的P型CuInS2薄膜的結構性能良好,熱處理條件為370℃,30min;N型CuInS2薄膜的熱處理條件為370℃,20min和360℃,30min。
CuInS2薄膜中的間隙式In或Cu元素的含量大小對薄膜導電類型的變化和光學性能起著決定性的作用。在熱處理過程中,由于S元素相對于Cu、In元素的熔點低,所以使CuInS2薄膜中S元素的成分損失較多,當CuInS2中In含量較多時薄膜的導電類型為N型。薄膜都較厚(>1000μm),光學性能較好,光吸收系數均在104cm-1以上。CuInS2薄膜的光學帶隙在1.38eV~1.40eV。
熱處理對CuInS2薄膜導電類型及光學特性的影響
2014-01-13 09:25:53 閱讀()
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