【文章內容簡介】 機會去撞擊濺射氣體原子,從而提高電子對工作氣體的電離幾率和有效利用電子的能量,經多次碰撞后的電子能量逐漸降低,擺脫磁力線的束縛，最終落在基片、真空室內壁等地方。其工作原理如圖21所示,在陽極與陰極之間加一正交電磁場，電子 e 在電場的作用下，與氬原子碰撞,電離出 Ar+和二次電子 e1。靶材受到高速Ar+轟擊后逸出的中性粒子向襯底遷移，到達襯底表面之后,經過吸附、凝結、表面擴散遷移、碰撞結合形成穩(wěn)定晶核，晶粒長大后互相聯結聚集,最后形成連續(xù)狀薄膜[18]。 基片的預處理本文中采用的基片為ITO（氧化銦錫）玻璃，首先用玻璃刀將ITO玻璃切成大小為25mm25mm的樣片。由于ITO玻璃表面容易吸附雜質而造成污染，為了使ITO玻璃表面和CdS薄膜之間結合的更加牢固且沒有其它雜質，我們需要在制備前，對基片進行清洗。清洗過程為：（1）將基片放入燒杯中，加入適量的去離子水，放入超聲波清洗機清洗810分鐘。（2）取出基片，放入另一燒杯中，加入適量無水乙醇，放入超聲波清洗機清洗810分鐘。（3）取出基片，放入另一燒杯中，加入適量丙酮，放入超聲波清洗機，清洗810分鐘。（4）取出基片，放入另一燒杯中，加入適量無水乙醇，進一步清洗810分鐘，取出基片并干燥，放入基片托盤待用。 磁控濺射材料%的CdS靶。（1）開總電源，開水及總控電源。打開放氣閥，待放棄完畢，關閉放氣閥。升上蓋，放濺射靶，放入陰極罩（內罩旋緊，外罩旋緊后回轉720。），放入待濺射基片，降上蓋。（2）打開機械泵、截止閥，打開真空計，打開預抽閥，關閉預抽閥，打開高閥，運行分子泵（啟動時間約10分鐘）。（3）。，關小高閥，打開氣瓶，開流量計及進氣閥（通Ar氣），調整流量（），調節(jié)高閥控制氣壓到理想氣壓（根據參數調整）。（4）待“OFF”變紅后可以開始濺射，按下“ON”按鈕，調起輝，然后調節(jié)實驗所需功率。待濺射完成后，按下“OFF”按鈕，關閉射頻總電源。關真空計，關流量計，關進氣閥，關氣瓶。（5）關閉高閥，停分子泵，待分子泵轉數為零后，打開放氣閥，待放氣完畢，關閉放氣閥，升上蓋，取出樣品，降上蓋。（6）設備使用完畢后（關機前）需要抽預真空，開機械泵，開預抽閥，開真空計，關閉預抽閥、機械泵、真空計。關閉總控電源，關水，關總電源。 實驗工藝參數實驗所需的所有工藝參數如表22所示。采用正交實驗法。表22 實驗工藝參數表變量編號濺射功率濺射時間實驗壓強襯底溫度靶材與襯底間距120W30min室溫濺射功率240W30min室溫360W30min室溫480W30min室溫濺射時間540W45min室溫640W1h室溫740W室溫實驗壓強840W30min1pa室溫940W30min2pa室溫1040W30min3pa室溫襯底溫度1140W30min100℃1240W30min200℃1340W30min300℃靶材與襯底間距1440W30min室溫1540W30min室溫1640W30min室溫 CdS薄膜的性能表征本文采用多種材料分析手段研究了CdS薄膜的厚度、晶體結構、表面微觀形貌及光學特性等。 X射線衍射儀（XRD）X射線衍射儀是利用衍射原理，精確測定物質的晶體結構，織構及應力，精確的進行物相分析，定性分析，定量分析。廣泛應用于冶金、石油、化工、科研、航空航天、教學，材料生產等領域[19]。晶體可以作為X射線的空間衍射光柵，即當一束X射線通過晶體時將會發(fā)生衍射；衍射波疊加的結果使射線的強度在某些方向上增強、而在其它方向上減弱；分析在照相底片上獲得的衍射花樣，便可確定晶體結構。晶體衍射基礎的著名公式——布拉格定律：2d sinθ=nλ （21）式中： λ—X射線的波長d—點陣平面間距θ—布拉格（Bragg）衍射角度衍射的級數n為任何正整數從探測器得到一系列的峰譜可以得到相應的一系列衍射晶面間距(d值)，如果從衍射圖上各個峰相應的晶面間距(d值)和某晶體的PDF卡片上的d值一致，就可以由衍射譜將晶體的物相結構確定下來。衍射峰的峰形也可反映樣品的晶粒尺寸。晶粒尺寸的大小會影響衍射峰的尖銳程度。晶粒尺寸較小，導致衍射線束寬化，其間關系可表示為 Dkhl=kλ/(B1/2cosθ) （22）式中： Dkhl—晶粒大?。ㄑ鼐娲怪狈较颍│恕猉射線的波長B—XRD衍射峰的半高寬（FWHM）強度處的線寬，表示單純因為晶粒度細化的寬化度，單位為弧度θ—布拉格（Bragg）衍射角度本文所用的X射線衍射儀為SHIMADZU XRD7000，測試條件為入射光Cu 197。，管電壓為40kV，電流為30mA，掃描速度為4186。/min，掃描范圍10 186。80 186。圖22 X射線衍射儀（對應的波數為5000012500cm1），測量光譜可以進行定性分析及定量計算。物質的吸收光譜本質上就是物質中的分子和原子吸收了入射光中的某些特定波長的光能量，相應地發(fā)生了分子振動能級躍遷和電子能級躍遷的結果。由于各種物質具有各自不同的分子、原子和不同的分子空間結構，其吸收光能量的情況也就不會相同，因此，每種物質就有其特有的、固定的吸收光譜曲線，可根據吸收光譜上的某些特征波長處的吸光度的高低判別或測定該物質的含量，這就是分光光度定性和定量分析的基礎。本文采用UV350/S型紫外可見光分光光度計測量CdS薄膜的吸收率及透射率，并通過透射率計算了薄膜的光學帶隙。（AFM）AFM全稱Atomic Force Microscope，即原子力顯微鏡，它是繼掃描隧道顯微鏡之后發(fā)明的一種具有原子級高分辨的新型儀器，當原子間距離減小到一定程度以后，原子間的作用將迅速上升。因此，由顯微探針受力的大小就可以直接換算出樣品表面的高度，從而獲得樣品表面形貌的信息?？梢栽诖髿夂鸵后w環(huán)境下對各種材料和樣品進行納米區(qū)域的物理性質包括形貌進行探測，或者直接進行納米操縱；現已廣泛應用于半導體、納米功能材料、生物、化工、食品、醫(yī)藥研究和科研院所各種納米相關學科的研究實驗等領域中，成為納米科學研究的基本工具。本文使用日本島津SPM9500J3型原子力顯微鏡對ITO玻璃襯底CdS薄膜表面形貌進行觀察和分析，采用靜態(tài)模式。圖23 原子力顯微鏡第三章 結果與討論磁控濺射鍍膜過程中，工藝參數的變化對薄膜的組織結構、透光率等性能有很大影響。本章主要探討磁控濺射中濺射功率、濺射時間、襯底溫度、工作氣壓及靶間距對CdS薄膜的表面形貌特征、厚度、透光率和結構的影響規(guī)律。圖31是不同濺射功率條件下制備的CdS薄膜的實物照片。圖31 不同濺射功率CdS薄膜 XRD分析圖32 不同濺射功率的CdS薄膜XRD圖譜圖32是不同功率制得的CdS薄膜的XRD衍射圖譜，XRD圖樣記錄了以4176。的速度步進掃描從10176。到80176。掃描的結果。可以看到，濺射功率為20W時，制備的試樣的XRD圖譜的衍射峰很弱，表明20W的CdS薄膜結晶不好，這可能是因為20W的濺射功率過小，不足以制備具備較好晶體結構的CdS薄膜。下面只分析濺射功率為40W、60W、80W的CdS薄膜的XＲD數據。 在2θ 176。處鉛鋅礦結構的六角相H( 002)和閃鋅礦結構的立方相C( 111)晶面的衍射峰位相差很小，難以區(qū)分，176。處H( 002) / C( 111) 的衍射峰位相對強度較大，表明CdS 薄膜擇優(yōu)取向明顯。176。、176。、50,。8176。、176。處出現了六角相衍射峰，176。處出現了立方相C( 200) 衍射峰，表明上述樣品為六角相和立方相的混晶結構。隨功率的升高，176。處C(111)/H(002)的衍射峰增強，表明CdS薄膜C(111)/H(002)晶面的擇優(yōu)取向隨功率的升高而增強。 AFM分析圖33為濺射功率為40W、60W、80W的CdS薄膜試樣，從圖中可以大致看出晶粒尺寸隨功率的增強而增大。由于 CdS 薄膜的形貌和顆粒大小會影響薄膜的電學性能，而原子力顯微鏡(AFM)分辨率高達納米量級，因此，我們可借助原子力顯微鏡來評估CdS薄膜的質量。(a) (b) (c) (d)圖33（a）濺射功率為20W試樣（b）濺射功率為40W試樣，（c）濺射功率為60W試樣，（d）濺射功率為80W試樣圖33(a)為濺射功率為20W的薄膜的形貌圖，晶粒尺寸約為115nm。圖33(b)給出了濺射功率為40W的薄膜的形貌圖，晶粒尺寸約為125nm。圖33(c) 給出了濺射功率為60W的薄膜的形貌圖，晶粒尺寸約為140nm。圖33(d) 給出了濺射功率為80W的薄膜的形貌圖，晶粒尺寸約為160nm。從數據可知隨著濺射功率的增加，晶粒尺寸不斷增加，其粗糙度也隨之增加。而大的表面粗糙度會影響上層配置結構的薄膜太陽能電池吸收層和相應pn結的質量，對于下層配置的薄膜太陽能電池則會增大入射光的散射損失[20]。從圖中可以看到較低濺射功率的薄膜表面有一些明顯的孔洞，隨著功率增加而減少。這些孔洞會形成微小的漏電通道而降低電池的旁路電阻，影響電池的性能，隨濺射功率的增大，微孔減少，薄膜更加均勻致密。所以功率較低條件下制備的CdS 薄膜，其致密較差，但過高的濺射功率也會提高CdS 薄膜的表面粗糙度，降低薄膜的光電性能。圖34為不同濺射功率的 CdS 薄膜的透過率曲線。由圖33中曲線可看出 ,濺射功率為40W的CdS 薄膜的透過率曲線的吸收邊陡直，短波區(qū)域透過率低而長波區(qū)域透過率高，大于吸收邊波長的透過率為70%以上?？梢? 隨沉積時間增加 ,CdS 薄膜符合作為窗口層材料的要求，盡可能吸收短波區(qū)域的光，而長波區(qū)域的光盡可能透過，被吸收層吸收，這利于提高電池的轉換效率。同時，從圖中可以看出透過曲線出現了波浪條紋，即引起干涉，這表明薄膜的結晶度較好。濺射功率為60W和80W的薄膜透過率明顯低于40W的透過率說明功率的提高會降低透過率，這主要是因為功率提高致使濺射到襯底上的CdS增多，CdS膜厚增加，從而降低了透過率（不同濺射功率的CdS薄膜的膜厚如表31所示）。 圖34 不同濺射功率CdS薄膜的透射率圖譜表31 不同濺射功率的