退火对ZnS薄膜性能的影响
退火对ZnS薄膜性能的影响[20200408095755]
摘 要
采用化学水浴法在石英玻璃上制备ZnS薄膜，利用SEM、XRD、紫外-可见分光光度计对薄膜进行表征，研究了不同退火时间和不同退火温度对薄膜表面形貌、结晶性能、透射率以及反射率的影响。结果表明：由SEM图像得出退火对ZnS薄膜表面形貌影响不大；XRD测试结果显示未退火的ZnS薄膜结晶性较差，退火后样品的峰明显高于未退火样品，说明退火能有效提高ZnS薄膜的结晶性能，并且退火后的ZnS薄膜呈现（111）择优取向；未退火样品光学带隙为3.83ev，退火后样品光学带隙都有不同程度地降低；在不同退火温度中，400℃退火相较300℃和500℃下退火，ZnS薄膜光学带隙更低为3.67ev，表明此退火温度下其光学性能优越；在不同退火时间中，0.5h退火相较1h、1.5h和2h的退火，ZnS薄膜光学带隙最低为3.561ev，在此退火时间下其光学性能更佳。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:化学水浴法ZnS薄膜退火表面形貌光学带隙
目 录
1．引 言 1
1.1 本课题的研究背景及意义 1
1.2 本课题的研究现状 1
1.3 本论文研究的内容 2
1.3.1 ZnS薄膜的制备 2
1.3.2 退火工艺 2
1.3.3 ZnS薄膜的性能测试 2
2. 实验材料及原理 4
2.1 实验原材料 4
2.2 实验主要设备 4
2.2.1 真空管式炉 4
2.2.2 扫描电子显微镜(SEM) 5
2.2.3 X射线衍射仪(XRD) 6
2.2.4 紫外-可见分光光度计 8
2.3 样品制备 9
2.3.1 实验方案 9
2.3.2 实验条件 10
2.3.3 ZnS薄膜制备及退火过程 10
2.4 样品测试 11
2.4.1 SEM测试 11
2.4.2 XRD测试 11
2.4.3 紫外-可见透射谱测试 12
3. 不同退火温度对ZnS薄膜性能的影响 13
3.1 ZnS薄膜不同温度退火 13
3.2不同退火温度对ZnS薄膜结构性能的影响 13
3.2.1SEM结果分析 13
3.2.2 XRD结果分析 14
3.3不同退火温度对ZnS薄膜光学性能的影响 15
4. 不同退火时间对ZnS薄膜性能的影响 18
4.1 ZnS薄膜不同时间退火 18
4.2不同退火时间对ZnS薄膜结构性能的影响 18
4.2.1SEM结果分析 18
4.2.2 XRD结果分析 19
4.3不同退火时间对ZnS薄膜光学性能的影响 20
结 语 23
参考文献 24
致 谢 26
1．引 言
1.1 本课题的研究背景及意义
ZnS是Ⅱ-Ⅵ族化合物直接带隙半导体材料,其禁带宽度为3.5-3.8eV，而且具有良好的光电性能[1]；ZnS主要有两种结构：六方晶系的纤锌矿结构、立方晶系的闪锌矿结构，其中纤锌矿结构在大于1024℃温度下为稳定结构而闪锌矿结构在小于1024℃温度下为稳定结构[2]。近年来应用于太阳能电池方面的Ⅱ-Ⅵ族二元以及三元化合物半导体引起了人们的极大兴趣[3]。
近些年ZnS逐渐被应用在薄膜太阳电池尤其是在CIGS电池中用作缓冲层或窗口层。因为ZnS无毒且ZnS光学带隙大于CdS，所以在薄膜太阳电池中用ZnS来取代有毒的CdS，这样不仅可以增加电池的环境友好性，还可以使更多的光入射到太阳电池吸收层中，从而使电池效率的提高。当前以ZnS为缓冲层制备的CIGS电池的效率已很接近以CdS为缓冲层制备的CIGS电池的效率[4-6]。另外 ZnS 还可用来制备减反射膜[7]，比如 ZnS/MgF2 双层减反射膜已是一种比较成熟的减反射膜[7]。因此国内外现在相当重视股关于ZnS薄膜的制备技术方面研究,部分工艺已应用于生产,而且有的已产业化。
通过本课题的研究，以退火温度、退火时间对于ZnS薄膜的结构、形貌及光学性能的影响为主线，得出获得样品表面均匀、致密性良好、结晶性能良好，光学性能优越的ZnS薄膜。
1.2 本课题的研究现状
当前国内外有很多科研机构利用化学水浴法制备ZnS薄膜并对其性能进行研究。
化学水浴法(CBD)是用一种可控的化学反应来沉积ZnS薄膜。大多数实验方法中都是基体被浸入含硫族氧化物和金属阳离子的溶液，并且用络合剂来控制阳离子的水解。这种方法依赖硫离子在溶液中的释放，溶液中的金属离子需要缓冲，达到一个低浓度状态，在离子复合速度大于溶解速度时，就会有薄膜产生[8-11]。
王应民等人[12]在化学水浴法制备ZnS薄膜光学性能研究中得出如下结论：化学水浴法制备ZnS薄膜，在线性生长区，ZnS薄膜的沉积速率接近于为1nm/min，随沉积时间的增加，薄膜光透过率会下降，消光系数值会变大，但在饱和生长区，光透过率却又开始升高，消光系数值变小；沉积时间为0.5h、1.0h、2.0h，制备的薄膜禁带宽度值分别为3.79 eV、3.91 eV和3.75 eV，沉积时间为1.0h的ZnS薄膜的禁带宽度最大。
崔占奎等人[13]在化学水浴法制备ZnS薄膜及其光学性能研究中得出如下结论：用化学水浴法，由酒石酸和柠檬酸钠构成复合络合剂，通过改良水浴配方，优化实验参数，制备出的ZnS薄膜呈现出立方相结构，在真空炉中经过300℃热处理1小时后，原子比Zn：S≈l：0.85，接近化学计量比，表面均一致密，薄膜在可见光区的平均透射率能达到80％以上，光学禁带宽度为3.74ev，适合用作太阳能电池过渡层。
1.3 本论文研究的内容
1.3.1 ZnS薄膜的制备
衬底的清洗：使用石英玻璃代替普通玻璃作为衬底，使用前将石英衬底放入用去离子水及超纯水洗过多次的小烧杯中浸泡清洗，然后用超纯水全面冲洗一遍，清洗后的衬底无需烘干直接使用。
化学浴制备ZnS薄膜：首先分别配制一定浓度的的乙酸锌溶液、柠檬酸钠溶液、氨水溶液以及硫脲溶液。配制反应溶液时先将柠檬酸钠溶液加入到乙酸锌溶液中，混合均匀后再加入硫脲溶液，最后加入氨水调节pH值[14-17]。配制好的反应溶液中乙酸锌、柠檬酸钠及硫脲分别为0.04 M、0.06 M及0.12 M，其PH值为10。配制好反应溶液后，把清洗好的石英衬底竖直放入反应溶液，在70℃沉积3h得到薄膜。
1.3.2 退火工艺
退火温度对薄膜的致密性和颗粒的大小有显著的影响，随着温度的升高，会使薄膜样品的结晶程度以及颗粒增大，但颗粒增大会影响薄膜的均匀性和致密性[18]。因此通过实验以确定退火温度才能得到致密良好且均匀的薄膜。
ZnS薄膜在真空退火后仍表现为压应力,然而压应力值会发生很大的改变，随着真空退火时间的不同,压应力降低的幅度也不一样[19]。因此退火时间也是影响ZnS薄膜性能的一个很重要的因素。
1.3.3 ZnS薄膜的性能测试
研究退火对ZnS薄膜性能的有影响，最主要的就是通过ZnS薄膜的结构性能和光学性能来反映。因为ZnS薄膜是宽禁带直接带隙半导体材料，所以在可见光区有着较高的透射率[20-21]，可以通过ZnS薄膜的透射光谱、反射光谱及禁带宽度来判定ZnS薄膜的光学性能；同时也可通过SEM图及XRD衍射谱来确定ZnS薄膜结构性能的好坏。
2. 实验材料及原理
2.1 实验原材料
制备ZnS薄膜用到的原材料见下表2.1。
表2.1主要原材料
原料名称 分子式 纯度（等级） 用途
石英玻璃衬底 — — 样品衬底
乙酸锌 C4H6O4Zn 99.999% 锌源
柠檬酸钠 Na3C6H5O7·2H2O 99.999% 络合剂
硫脲 CH4N2S 99.999% 硫源
氨水 NH4OH 99.999% 调节PH值
氮气 N2 99.999% 退火气氛
摘 要
采用化学水浴法在石英玻璃上制备ZnS薄膜，利用SEM、XRD、紫外-可见分光光度计对薄膜进行表征，研究了不同退火时间和不同退火温度对薄膜表面形貌、结晶性能、透射率以及反射率的影响。结果表明：由SEM图像得出退火对ZnS薄膜表面形貌影响不大；XRD测试结果显示未退火的ZnS薄膜结晶性较差，退火后样品的峰明显高于未退火样品，说明退火能有效提高ZnS薄膜的结晶性能，并且退火后的ZnS薄膜呈现（111）择优取向；未退火样品光学带隙为3.83ev，退火后样品光学带隙都有不同程度地降低；在不同退火温度中，400℃退火相较300℃和500℃下退火，ZnS薄膜光学带隙更低为3.67ev，表明此退火温度下其光学性能优越；在不同退火时间中，0.5h退火相较1h、1.5h和2h的退火，ZnS薄膜光学带隙最低为3.561ev，在此退火时间下其光学性能更佳。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:化学水浴法ZnS薄膜退火表面形貌光学带隙
目 录
1．引 言 1
1.1 本课题的研究背景及意义 1
1.2 本课题的研究现状 1
1.3 本论文研究的内容 2
1.3.1 ZnS薄膜的制备 2
1.3.2 退火工艺 2
1.3.3 ZnS薄膜的性能测试 2
2. 实验材料及原理 4
2.1 实验原材料 4
2.2 实验主要设备 4
2.2.1 真空管式炉 4
2.2.2 扫描电子显微镜(SEM) 5
2.2.3 X射线衍射仪(XRD) 6
2.2.4 紫外-可见分光光度计 8
2.3 样品制备 9
2.3.1 实验方案 9
2.3.2 实验条件 10
2.3.3 ZnS薄膜制备及退火过程 10
2.4 样品测试 11
2.4.1 SEM测试 11
2.4.2 XRD测试 11
2.4.3 紫外-可见透射谱测试 12
3. 不同退火温度对ZnS薄膜性能的影响 13
3.1 ZnS薄膜不同温度退火 13
3.2不同退火温度对ZnS薄膜结构性能的影响 13
3.2.1SEM结果分析 13
3.2.2 XRD结果分析 14
3.3不同退火温度对ZnS薄膜光学性能的影响 15
4. 不同退火时间对ZnS薄膜性能的影响 18
4.1 ZnS薄膜不同时间退火 18
4.2不同退火时间对ZnS薄膜结构性能的影响 18
4.2.1SEM结果分析 18
4.2.2 XRD结果分析 19
4.3不同退火时间对ZnS薄膜光学性能的影响 20
结 语 23
参考文献 24
致 谢 26
1．引 言
1.1 本课题的研究背景及意义
ZnS是Ⅱ-Ⅵ族化合物直接带隙半导体材料,其禁带宽度为3.5-3.8eV，而且具有良好的光电性能[1]；ZnS主要有两种结构：六方晶系的纤锌矿结构、立方晶系的闪锌矿结构，其中纤锌矿结构在大于1024℃温度下为稳定结构而闪锌矿结构在小于1024℃温度下为稳定结构[2]。近年来应用于太阳能电池方面的Ⅱ-Ⅵ族二元以及三元化合物半导体引起了人们的极大兴趣[3]。
近些年ZnS逐渐被应用在薄膜太阳电池尤其是在CIGS电池中用作缓冲层或窗口层。因为ZnS无毒且ZnS光学带隙大于CdS，所以在薄膜太阳电池中用ZnS来取代有毒的CdS，这样不仅可以增加电池的环境友好性，还可以使更多的光入射到太阳电池吸收层中，从而使电池效率的提高。当前以ZnS为缓冲层制备的CIGS电池的效率已很接近以CdS为缓冲层制备的CIGS电池的效率[4-6]。另外 ZnS 还可用来制备减反射膜[7]，比如 ZnS/MgF2 双层减反射膜已是一种比较成熟的减反射膜[7]。因此国内外现在相当重视股关于ZnS薄膜的制备技术方面研究,部分工艺已应用于生产,而且有的已产业化。
通过本课题的研究，以退火温度、退火时间对于ZnS薄膜的结构、形貌及光学性能的影响为主线，得出获得样品表面均匀、致密性良好、结晶性能良好，光学性能优越的ZnS薄膜。
1.2 本课题的研究现状
当前国内外有很多科研机构利用化学水浴法制备ZnS薄膜并对其性能进行研究。
化学水浴法(CBD)是用一种可控的化学反应来沉积ZnS薄膜。大多数实验方法中都是基体被浸入含硫族氧化物和金属阳离子的溶液，并且用络合剂来控制阳离子的水解。这种方法依赖硫离子在溶液中的释放，溶液中的金属离子需要缓冲，达到一个低浓度状态，在离子复合速度大于溶解速度时，就会有薄膜产生[8-11]。
王应民等人[12]在化学水浴法制备ZnS薄膜光学性能研究中得出如下结论：化学水浴法制备ZnS薄膜，在线性生长区，ZnS薄膜的沉积速率接近于为1nm/min，随沉积时间的增加，薄膜光透过率会下降，消光系数值会变大，但在饱和生长区，光透过率却又开始升高，消光系数值变小；沉积时间为0.5h、1.0h、2.0h，制备的薄膜禁带宽度值分别为3.79 eV、3.91 eV和3.75 eV，沉积时间为1.0h的ZnS薄膜的禁带宽度最大。
崔占奎等人[13]在化学水浴法制备ZnS薄膜及其光学性能研究中得出如下结论：用化学水浴法，由酒石酸和柠檬酸钠构成复合络合剂，通过改良水浴配方，优化实验参数，制备出的ZnS薄膜呈现出立方相结构，在真空炉中经过300℃热处理1小时后，原子比Zn：S≈l：0.85，接近化学计量比，表面均一致密，薄膜在可见光区的平均透射率能达到80％以上，光学禁带宽度为3.74ev，适合用作太阳能电池过渡层。
1.3 本论文研究的内容
1.3.1 ZnS薄膜的制备
衬底的清洗：使用石英玻璃代替普通玻璃作为衬底，使用前将石英衬底放入用去离子水及超纯水洗过多次的小烧杯中浸泡清洗，然后用超纯水全面冲洗一遍，清洗后的衬底无需烘干直接使用。
化学浴制备ZnS薄膜：首先分别配制一定浓度的的乙酸锌溶液、柠檬酸钠溶液、氨水溶液以及硫脲溶液。配制反应溶液时先将柠檬酸钠溶液加入到乙酸锌溶液中，混合均匀后再加入硫脲溶液，最后加入氨水调节pH值[14-17]。配制好的反应溶液中乙酸锌、柠檬酸钠及硫脲分别为0.04 M、0.06 M及0.12 M，其PH值为10。配制好反应溶液后，把清洗好的石英衬底竖直放入反应溶液，在70℃沉积3h得到薄膜。
1.3.2 退火工艺
退火温度对薄膜的致密性和颗粒的大小有显著的影响，随着温度的升高，会使薄膜样品的结晶程度以及颗粒增大，但颗粒增大会影响薄膜的均匀性和致密性[18]。因此通过实验以确定退火温度才能得到致密良好且均匀的薄膜。
ZnS薄膜在真空退火后仍表现为压应力,然而压应力值会发生很大的改变，随着真空退火时间的不同,压应力降低的幅度也不一样[19]。因此退火时间也是影响ZnS薄膜性能的一个很重要的因素。
1.3.3 ZnS薄膜的性能测试
研究退火对ZnS薄膜性能的有影响，最主要的就是通过ZnS薄膜的结构性能和光学性能来反映。因为ZnS薄膜是宽禁带直接带隙半导体材料，所以在可见光区有着较高的透射率[20-21]，可以通过ZnS薄膜的透射光谱、反射光谱及禁带宽度来判定ZnS薄膜的光学性能；同时也可通过SEM图及XRD衍射谱来确定ZnS薄膜结构性能的好坏。
2. 实验材料及原理
2.1 实验原材料
制备ZnS薄膜用到的原材料见下表2.1。
表2.1主要原材料
原料名称 分子式 纯度（等级） 用途
石英玻璃衬底 — — 样品衬底
乙酸锌 C4H6O4Zn 99.999% 锌源
柠檬酸钠 Na3C6H5O7·2H2O 99.999% 络合剂
硫脲 CH4N2S 99.999% 硫源
氨水 NH4OH 99.999% 调节PH值
氮气 N2 99.999% 退火气氛
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/dzxx/gdxx/269.html
