【正文】 dTe薄膜太陽(yáng)電池, 以進(jìn)一步提升該類光伏器件的轉(zhuǎn)換效率, 簡(jiǎn)化制作工序, 提高量產(chǎn)后的成品率。因此, 實(shí)現(xiàn)干法工藝替代傳統(tǒng)的CBD工藝進(jìn)行高質(zhì)量CdS窗口層的制備成為關(guān)鍵一步[3]。本課題采用磁控濺射法制備太陽(yáng)電池窗口層，這種薄膜制備方法更適用于大面積均勻薄膜的生長(zhǎng)，所制薄膜均勻致密，制模成本低，工藝簡(jiǎn)單適合大面積連續(xù)生產(chǎn)，商業(yè)前景廣闊。 CdS材料簡(jiǎn)介CdS是一種重要的光敏半導(dǎo)體,廣泛應(yīng)用于光電子學(xué)領(lǐng)域。在光伏轉(zhuǎn)換方面,CdS作為直接能隙半導(dǎo)體,是一種良好的窗口層材料和過渡層材料,具有廣闊的應(yīng)用前景。 CdS是II VI族化合物直接躍遷半導(dǎo)體材料，在太陽(yáng)能電池、發(fā)光二極管、光催化及其他光電子學(xué)器件等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，一直被認(rèn)為是一種可見光響應(yīng)的優(yōu)異光電材料。硫化鎘(英文caudmim sulfide)分子式CdS，是一種N型光電導(dǎo)半導(dǎo)體材料。屬ⅡⅥ族化合物半導(dǎo)體。有晶體和無定形物。晶體有兩種：α型，檸檬黃色粉末，～。β型，橘紅色粉末，～。自然界中有硫鎘礦，六方晶體，1010m,。CdS主要包括纖鋅礦和閃鋅礦兩種晶格結(jié)構(gòu)，如圖11所示。CdS晶體的結(jié)構(gòu)包括有立方晶型結(jié)構(gòu)和六方晶型結(jié)構(gòu)兩種(圖11為硫化鎘的晶體結(jié)構(gòu)示意圖)。圖11 CdS晶體結(jié)構(gòu)(a)立方晶型結(jié)構(gòu)(b)六方晶型結(jié)構(gòu)立方晶相的CdS晶格結(jié)構(gòu)如圖11 (a)所示,它是四面體,屬于等軸晶系,面心結(jié)構(gòu)。六方晶相的CdS晶格結(jié)構(gòu)如圖11 (b)所示,每個(gè)Cd原子與周圍4個(gè)S原子按四面體排布。一般制備的CdS材料中這兩種結(jié)構(gòu)都會(huì)存在,因?yàn)檫@兩種結(jié)構(gòu)為同質(zhì)異性體,形成能的差異也很小。CdS能在氮?dú)庵猩A。微毒，無放射性，微溶于水和乙醇，溶于酸，極易溶于氨水。熔點(diǎn)1750℃，, 電子和空穴的遷移率分別為2102和2103m2/vs，[5]?？捎糜谥蒲婊?、玻璃釉、瓷釉、發(fā)光材料，并用作油漆、紙、橡膠和玻璃等的顏料（鎘黃和鎘紅），高純度硫化鎘是良好的半導(dǎo)體，對(duì)可見光有強(qiáng)烈的光電效應(yīng)，可用于制光電管、太陽(yáng)能電池。 CdS薄膜的制備方法制備CdS薄膜的方法很多，如真空蒸發(fā)法、磁控濺射法、化學(xué)水浴法（CBD法）、噴涂熱解法、電沉積法、絲網(wǎng)印刷法、MOCVD法、Solgel法等[6]。本課題采用磁控濺射法制備硫化鎘（CdS），這種薄膜制備方法更適用于大面積均勻薄膜的生長(zhǎng)，制模成本低，工藝簡(jiǎn)單，所制薄膜均勻致密，薄膜與襯底之間有較大的附著力,并且還可以連續(xù)濺射多層薄膜。（CBD法）1884 年,有人首次采用化學(xué)水浴法制備了PbS薄膜,后來發(fā)展為硫化鎘等多種金屬硫族化合物半導(dǎo)體薄膜的制備方法。CBD法制備CdS薄膜時(shí),是在常壓、低溫(3090℃)的條件下,利用鎘鹽和硫脲在堿性溶液中進(jìn)行絡(luò)合分解反應(yīng),得到硫化鎘薄膜。工藝參數(shù)對(duì)制備的CdS薄膜的結(jié)構(gòu)、性能和表面形貌有很大影響,為了優(yōu)化薄膜的性能,許多研究者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究。蔡亞平、李衛(wèi)等人采用化學(xué)水浴法，沉積了大面積(30cm40cm)CdS多晶薄膜，薄膜厚度均勻、致密，其結(jié)構(gòu)為六方相，光學(xué)能隙～。通過優(yōu)化和減薄CdS薄膜,提高了CdS/CdTe太陽(yáng)電池的性能。制備的CdS薄膜性質(zhì)及CdTe薄膜太陽(yáng)電池組件的性能都表現(xiàn)出了高度的均勻性。同時(shí),效率達(dá)8%以上的太陽(yáng)電池組件[7]。真空蒸發(fā)法即在高真空條件下,通過蒸發(fā)源將膜材加熱到蒸發(fā)溫度,使其蒸發(fā),當(dāng)蒸氣分子的平均自由程大于真空室線性尺寸后,將不再受到其它離子的阻礙,可直接沉積到低溫襯底上,凝結(jié)成膜。何智兵等在真空度為(~)103Pa,蒸發(fā)電流為65A的條件下,%的高純度 CdS 作為蒸發(fā)源,蒸發(fā)鍍膜。,襯底為150℃時(shí),制備出的薄膜厚度為550nm,光學(xué)透過率達(dá)到了95%以上[8]。電沉積法是金屬或合金或金屬化合物在電場(chǎng)作用下從其化合物水溶液、非水溶液或熔鹽中在電極表面沉積出來的方法。，以Pt電極做正極，帶有透明導(dǎo)電薄膜ITO的玻璃為負(fù)極，在ITO玻璃襯底上電沉積CdS薄膜, 沉積時(shí)間約為30min。襯底ITO玻璃依次用丙酮、酒精和去離子水分別超聲清洗 20min。電沉積用的溶液的pH值為2~3，溫度從55~90℃,、2V、3V和3. 5V。沉積得到的薄膜在溫度為400e , N2氣氛下退火處理1h。分別用XRD及SEM分析了薄膜的結(jié)構(gòu)和表面形貌。研究了不同溫度和不同沉積電壓對(duì)薄膜表面硫與鎘的化學(xué)成分比的影響。~3V之間。制作了 ITO/nCdS/pSnS/Ag結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池,在100mW/cm2的光強(qiáng)下其開路電壓 ,轉(zhuǎn)換效率 %[9]。磁控濺射可以被認(rèn)為是鍍膜技術(shù)中最突出的成就之一。它以濺射率高、基片溫升低、膜基結(jié)合力好、裝置性能穩(wěn)定、操作控制方便等優(yōu)點(diǎn),成為鍍膜工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域(特別是建筑鍍膜玻璃、透明導(dǎo)電膜玻璃、柔性基材卷繞鍍等對(duì)大面積的均勻性有特別苛刻要求的連續(xù)鍍膜場(chǎng)合)的首選方案[10]。近年來磁控濺射技術(shù)發(fā)展很快，具有代表性的方法有射頻濺射、反應(yīng)磁控濺射、非平衡磁控濺射等。射頻濺射是一種可采用任何材料的靶, 在任何基片上沉積任何薄膜的方法。在濺射過程中，主動(dòng)地在放電氣體中混入活性氣體，通過控制活性氣體的比例及壓強(qiáng)控制所合成的化合物的成份和性質(zhì)，從而達(dá)到制備化合物薄膜的方法稱為反應(yīng)濺射。非平衡磁控濺射是在常規(guī)濺射靶基礎(chǔ)上改變磁場(chǎng)分布，可以顯著地提高鍍膜區(qū)域等離子體濃度的磁控濺射方法[11]。濺射鍍膜在磁場(chǎng)的控制下工作,有著顯著的優(yōu)點(diǎn): 1)由于電磁場(chǎng)的作用, 電子與放電氣體的碰撞幾率增高，氣體的離化率從而增大，使低氣壓濺射成為可能。而且在電磁場(chǎng)的作用下，二次電子在靶表面作旋輪運(yùn)動(dòng)，只有能量耗盡后才脫離靶表面，使得基片損傷小、溫度升高幅度低。2)高密度的等離子體被電磁場(chǎng)束縛在靶面附近，不僅提高了電離效率，使工作氣壓大大降低，而且有利于正離子有效的轟擊靶面，使沉積速率有效提高。3)由于工作氣壓低，所以減少了工作氣體對(duì)被濺射出的粒子的散射作用，有利于沉積速率的提高，并可增加膜層與基片的附著力。不同的濺射參數(shù)可以制作不同性能的薄膜，表11是薄膜屬性與影響薄膜屬性的濺射參數(shù)[12]。表11薄膜屬性及相應(yīng)的濺射參數(shù)薄膜屬性濺射參數(shù)成分晶相及結(jié)晶度缺陷顯微結(jié)構(gòu)表面及界面靶的成份濺射模式基片材料基片位置電極幾何結(jié)構(gòu)濺射氣氛（總壓強(qiáng)、分壓強(qiáng)）沉積溫度沉積速率（濺射功率、沉積間距）偏壓冷卻速率及冷卻氣氛后期退火 CdS的應(yīng)用硫化鎘晶體有兩種，α式呈檸檬黃色粉末，β式呈桔紅色粉末。微溶于水，溶于酸，微溶于氨水?？捎糜谥蒲婊?、玻璃釉、瓷釉、發(fā)光材料、顏料。鎘黃廣泛用于搪瓷、玻璃和陶瓷的著色。也用于涂料、塑料行業(yè)，還用作電子熒光材料。鎘黃幾乎適用于所有樹脂的著色，在塑料中呈半透明性。含硫化鋅的淺色類鎘黃用于聚乙烯中，應(yīng)盡量縮短成型加工時(shí)間，因?yàn)榱蚧\會(huì)促進(jìn)聚乙烯塑料分解而呈綠色。鎘黃在室室的穩(wěn)定性不如鎘紅，多用于室內(nèi)塑料制品。鎘黃不宜與含銅或銅鹽的顏料拼用，以免生成黑色的硫化銅或綠色的硫酸銅。鎘黃與藍(lán)色的顏料拼混可得到綠色。高純度硫化鎘是良好的半導(dǎo)體，對(duì)可見光有強(qiáng)烈的光電效應(yīng)，可用于制造光敏電阻、太陽(yáng)能電池、半導(dǎo)體激光器、光催化劑等。 光敏電阻光敏電阻（photocell）又稱光敏電阻器（photoresistor or lightdependent resistor，后者縮寫為ldr）或光導(dǎo)管（photoconductor），常用的制作材料為硫化鎘，另外還有硒、硫化鋁、硫化鉛和硫化鉍等材料。這些制作材料具有在特定波長(zhǎng)的光照射下，其阻值迅速減小的特性。這是由于光照產(chǎn)生的載流子都參與導(dǎo)電，在外加電場(chǎng)的作用下作漂移運(yùn)動(dòng)，電子奔向電源的正極，空穴奔向電源的負(fù)極，從而使光敏電阻器的阻值迅速下降[13]。硫化鎘(CdS)是直接帶隙IIVI族化合物半導(dǎo)體，,能透過絕大部分陽(yáng)光,是一種良好的窗口層材料和過渡層材料?，F(xiàn)己廣泛用于紅外探測(cè)器和薄膜太陽(yáng)能電池的窗口層，如用來作為CdTe和CulnSe2的窗口層，在提高薄膜太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率方面起到了顯著的作用。現(xiàn)己成功制各了轉(zhuǎn)化效率高達(dá)17％的CdS／CulnSe2結(jié)構(gòu)型的太陽(yáng)能電池和轉(zhuǎn)化效率為16．5％的CdS／CdTe結(jié)構(gòu)型的太陽(yáng)能電池(結(jié)構(gòu)示意圖如圖12所示)。這兩種電池的結(jié)構(gòu)是ITO玻璃基片／nCdS／p—CulnSe2(CdTe)／電極，因此CdS薄膜的質(zhì)量和n型摻雜濃度不僅直接影響吸收層薄膜質(zhì)量的好壞，而且對(duì)電池的轉(zhuǎn)換效率和壽命起著至關(guān)重要的作用[14]。圖12 CdS/CdTe太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)示意圖目前,如何尋求新材料、,非晶硅疊層太陽(yáng)電池中的aSi/aSi/aSiGe三結(jié)疊層太陽(yáng)電池和pn型的GaInP2/,在研究CdS/CdTe單層太陽(yáng)電池的基礎(chǔ)上,提出了CdS/,改善Isc、FF。CdS/CdTe疊層太陽(yáng)能電池示意圖如圖13所示[15]。圖13 CdS/CdTe疊層太陽(yáng)能電池示意圖半導(dǎo)體激光器是以一定的半導(dǎo)體材料做工作物質(zhì)而產(chǎn)生受激發(fā)射作用的器件。.其工作原理是通過一定的激勵(lì)方式，在半導(dǎo)體物質(zhì)的能帶（導(dǎo)帶與價(jià)帶）之間，或者半導(dǎo)體物質(zhì)的能帶與雜質(zhì)（受主或施主）能級(jí)之間，實(shí)現(xiàn)非平衡載流子的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，當(dāng)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的大量電子與空穴復(fù)合時(shí)，便產(chǎn)生受激發(fā)射作用。半導(dǎo)體激光器的激勵(lì)方式主要有三種，即電注入式，光泵式和高能電子束激勵(lì)式。電注入式半導(dǎo)體激光器，一般是由砷化鎵（GaAs）、硫化鎘（CdS）、磷化銦(InP)、硫化鋅(ZnS)等等材料制成的半導(dǎo)體面結(jié)型二極管，沿正向偏壓注入電流進(jìn)行激勵(lì)，在結(jié)平面區(qū)域產(chǎn)生受激發(fā)射。光泵式半導(dǎo)體激光器，一般用N型或P型半導(dǎo)體單晶（如GaAS,InAs,InSb等）做工作物質(zhì)，一般也是用N型或者P型半導(dǎo)體單晶(如PbS,CdS,ZhO等)做工作物質(zhì)，通過由外部注入高能電子束進(jìn)行激勵(lì)。在半導(dǎo)體激光器件中，性能較好，應(yīng)用較廣的是具有雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電注入式GaAs二極管激光器[16]。 光催化劑硫化鎘還可作光催化劑使用。,具有很高的光催化活性,能夠被可見光激發(fā)而進(jìn)行光催化分解水或降解有機(jī)污染物,且其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,容易制備但諸多研究表明,許多窄禁帶半導(dǎo)體本身在紫外一可見光照射下,往往表現(xiàn)出不穩(wěn)定性,即產(chǎn)生光蝕現(xiàn)象[17]。第二章 薄膜的制備與性能表征 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器表21 主要實(shí)驗(yàn)試劑名稱純度CdS靶%丙酮（CH3COCH3）%無水乙醇（CH3CH2OH）%實(shí)驗(yàn)用水去離子水 CdS薄膜的制備本實(shí)驗(yàn)采用磁控濺射法制備CdS薄膜材料，在ITO玻璃（氧化銦錫）上沉積一層CdS薄膜。圖21磁控濺射工作原理示意圖鍍膜是在真空室中，利用輝光放電產(chǎn)生的正離子在電場(chǎng)作用下加速后轟擊靶表面，使被轟擊出的粒子在基片上沉積的技術(shù)。磁控濺射是在磁場(chǎng)控制下產(chǎn)生的輝光放電，在濺射室內(nèi)加上與電場(chǎng)垂直的正交磁場(chǎng)，以磁場(chǎng)來改變電子的運(yùn)動(dòng)方向，使磁控靶表面的電子作旋輪線運(yùn)動(dòng),這樣電子能夠在靶面附近滯留較長(zhǎng)的時(shí)間而有較多的