退火对CdS薄膜性能的影响
退火对CdS薄膜性能的影响[20200408102546]
摘 要
已知CdS的化学性能相对比较稳定，而且属于禁带宽度较宽的半导体材料。CdS在很多太阳能电池中被作为发射极，比如它可以与一些p型层组成pn结而构成太阳能电池。在这些所构成的器件中，pn结附近的p型半导体会吸收透过CdS的窗口层的光。而所得到的CdS薄膜的质量，直接影响到在它的基础上所制备出的吸收层薄膜的质量，同时对电池的性能和寿命也会产生很大的影响[12]。
然而水浴法制备的CdS薄膜则具有晶粒较小、载流子浓度低、光学带隙值小等不足，上述缺点需要通过不同的退火工艺加以改善[7]。已经有研究表明，不同的退火条件对CdS薄膜的形貌特征及其光学性能，都会产生不同的影响，而CdS薄膜的光谱透过率和光学带隙值，则会直接关系到吸收层对太阳光强度和光谱域范围的利用率，从而影响CdS薄膜太阳能电池的转换效率。
由于CdS薄膜作为n型窗口材料，可以与CdTe和CuInSe2等材料制作出高效率太阳电池，同时CdS的制备方法很多，具有较低的成本，所以有非常良好的发展前景，近些年也越来越引起国内外人们的关注[1]。
本课题从化合物半导体太阳能电池的发射极的制备情况，采用水浴法在80℃沉积温度下制备CdS薄膜。在此基础上，研究了不同退火温度、退火时间对CdS薄膜性能的影响，并利用SEM扫描电子显微镜，对薄膜的晶体结构和表面形貌进行研究；利用EDS研究退火后薄膜元素比例；通过origin制图计算薄膜的禁带宽度。通过上述表征手段来优化退火工艺以制备出结晶质量优异、均匀致密、带隙适中的CdS薄膜。
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关键字:CdS薄膜材料化学水浴退火
目录
1． 绪论 1
1.1 太阳能电池的研究背景 1
1.2 主要研究内容 2
2. 实验方法和原理 3
2.1化学水浴法的基本原理 3
2.2 真空管式炉的结构简介 5
2.3 实验设备及原材料 5
2.4 表征及测试方法 6
2.4.1 X射线衍射仪 6
2.4.2 SEM扫面电子显微镜 6
2.4.3 EDS元素分析仪 7
2.4.4 紫外-可见分光光度计 7
3.不同退火温度对薄膜性能的影响 9
3.1退火温度对CdS薄膜结构的影响 9
3.2退火温度后CdS薄膜的光学性能 10
3.3 本章小结 12
4.不同退火时间对薄膜性能的影响 13
4.1退火温度对CdS薄膜结构的影响 13
4.2退火温度后CdS薄膜的光学性能 14
4.3 本章小结 16
5. 结论及展望 17
5.1 结论 17
5.2 展望 17
参考文献 18
致谢 19
1． 绪论
1.1 太阳能电池的研究背景
一直以来，生产生活之中广泛的以煤、石油和天然气等化石燃料作为主要能源。随着社会经济的发展与人类文明的进步，当今世界对能源的需求量日趋增长，而这些能源基本上都属于不可再生能源，且其存储量是有限的，因此仅仅依靠化石燃料已经远远不能满足现如今生产生活的需要。
预计，广泛应用于当今社会的能源还能被人们用一百年的时间，不仅如此，这些化石燃料的燃烧会产生大量的二氧化碳，而全球气候变暖的主要因素就是大气中的二氧化碳含量的不断增加。所以对这些能源的大量使用，造成了温室效应，加速全球气候变暖，破坏了整个生态平衡，还会产生严重的环境污染，给人类及地球上的各类动植物的生存带来了巨大威胁。因此，当代社会迫切需要发展一个庞大的储备量，有利于环境保护，清洁无污染的可再生能源，以满足人类对能源的需求量增加。
在对新能源的不断寻找与研究过程中，太阳能逐渐走入当今人们的视线之中。与常规能源相比，太阳能具有以下三个主要优势：
第一，在人类可以利用的能源中，太阳能的存储容量是最丰富的。据统计数据显示，在过去的十几亿年里，太阳发光伏热仅仅消耗了太阳本身2%左右的能量。按照这样的速度来计算，太阳足足能够满足人类使用几十亿年甚至更久，所以太阳能可谓是取之不尽、用之不竭，符合当今人们所追寻的新能源要求的一种能源。第二，整个地球基本上都能被太阳能覆盖到，我们就可以利用太阳能的覆盖率广泛的这个特点，在各个地方都可以进行对太阳能的利用，从而能源的运输也就不会成为困扰及限制因素，特别是对于解决交通欠发达的山区、农村以及其他偏远地区的能源供应问题。第三，太阳能是一种非常干净，无污染的能源。相比于会产生二氧化碳气体的常规能源煤、石油等，在开发和利用太阳能时，则不会产生大气污染、加速全球变暖等一系列的环境问题，因此对太阳能的利用是一种符合人与自然和谐相处的方法与途径。
与此同时，光伏发电也具有众多优势：
第一，发电的形式较为简单，没用中间相互转换能力的复杂过程。第二，太阳能发电没有一定的机械部件，因此不会产生机械磨损、产生噪音等问题。第三，整个系统安装比较简单，且对系统的后期维护也相对简单，维护成本也很低。第四，太阳能电池寿命长（一般可达25年以上），且性能稳定。第五，适合大面积地生产，降低生产成本与繁琐程度。
所以最能满足时代发展的新能源是太阳能，而开发和利用太阳能对人类未来的生活，乃至人类的生存，都具有十分重要的影响。
现在，晶体硅太阳能电池在生产中占主导地位，在市场中大规模生产销售的太阳能电池主要是由单晶硅为原料生产。这主要是因为相比其他太阳能电池，单晶硅太阳能电池具有较高的转换效率，生产技术也颇为成熟。在实验室中研究所得单晶硅太阳能电池的最高转换效率为24.7%，而投入规模生产时电池的效率约为18%（截止2011年）。然而，单晶体硅电池也存在一系列的缺点，如成本高，能耗高，降低成本是很困难的，且生产过程中会产生有毒有害物质，产生严重的环境污染，所以迫切的需要新的技术来取代晶硅太阳能电池。
而与晶体硅太阳能电池相比，晶体硅薄膜太阳能电池则具有成本更低、质量轻、转换效率较高和便于大规模生产的优点，所以晶体硅薄膜正在逐渐取代单晶硅太阳能电池，晶体硅薄膜拥有着更好的发展前景。而作为II-VI族化合物的半导体材料硫化镉（CdS），它的吸收系数很高，在104~105cm-1范围中，其直接带隙禁带宽度也约为2.42eV，同时，由于CdS具有禁带宽度大，短波段的太阳能可以直接通过的优点，因此被广泛用作太阳能电池窗口层[2]。本课题主要进一步研究不同退火条件对CdS薄膜性能的影响。
1.2 主要研究内容
本课题首先选择用水浴法在沉积温度为80℃的条件下制备了CdS薄膜。但水浴法制备的薄膜通常具有表面晶粒小、表面不够平整、均匀性不好的缺点。从而本课题通过选择不同的退火条件来改善水浴法所制备的CdS薄膜的结构及其性能。本课题主要在制备好的CdS薄膜上研究了在不同的退火温度、以及不同的退火时间对CdS薄膜的影响。然后观察不同退火条件对薄膜性能的影响，从而得到退火工艺对薄膜结构的改善有不同的作用与规律。最后，利用X射线衍射仪和SEM扫描电子显微镜进行分析不同退火条件下薄膜的表面形貌和晶体结构；利用EDS元素分析仪分析退火后薄膜元素比例及这些元素分布的均匀性；通过紫外-可见分光光度计来计算算薄膜的透过率与反射率，结合所得透反射率计算出所得CdS薄膜的禁带宽度[8]。本课题通过优化退火工艺，以制备出结晶质量优异、均匀性好、表面致密、带隙适中的CdS薄膜。
2. 实验方法和原理
2.1化学水浴法的基本原理
化学水浴法的机理基本可以分为两类：自由离子之间的反应机理和金属配合物分解反应机理。下面通过用化学浴法制备CdS薄膜为例来介绍化学水浴法的沉积机理：
(1) 离子反应机理：由自由阴离子与自由阳离子直接反应并在衬底表面形核长大得到薄膜，一般称为离子反应机理。反应方程式可以表达为：
Cd 2++ S 2-→CdS
当薄膜按照离子反应机理沉积时，溶液中Cd2+离子的浓度及溶液pH 应满足一定条件，在此条件下Cd2+离子不发生水解。图2.1 为自由离子反应机理沉积CdS薄膜的示意图。当溶液中的Cd2+离子与S2-离子的离子积超过了溶液中CdS的溶度积时，在衬底附近的Cd2+离子和S2-离子便会在衬底的表面异质形核从而形成CdS晶核，接着CdS晶粒就会开始不断长大并互相靠拢，最终成为CdS薄膜。由于一般异质形核相比同质形核相对容易，因此当溶液中Cd2+离子与S2-离子的离子积超过溶液中CdS的溶度积不太多时，CdS薄膜倾向于以异质形核生长为主。此时在化学浴的反应溶液中不会出现沉淀而只有在衬底表面有薄膜出现。但当溶液中Cd2+离子与S2-离子的离子积比溶液中CdS的溶度积超出比较多时，溶液中同样也会有同质形核长大的CdS颗粒，而此时除衬底上有薄膜出现外，溶液中也会有沉淀出现。这种情况下同质形核形成的CdS颗粒还可能会吸附在衬底上，使得所制备的CdS薄膜粘附性降低。由于薄膜是由阴离子与阳离子直接反应得到，因此按照此机理沉积的薄膜中各元素的比例一般与其化学计量比较为接近。
摘 要
已知CdS的化学性能相对比较稳定，而且属于禁带宽度较宽的半导体材料。CdS在很多太阳能电池中被作为发射极，比如它可以与一些p型层组成pn结而构成太阳能电池。在这些所构成的器件中，pn结附近的p型半导体会吸收透过CdS的窗口层的光。而所得到的CdS薄膜的质量，直接影响到在它的基础上所制备出的吸收层薄膜的质量，同时对电池的性能和寿命也会产生很大的影响[12]。
然而水浴法制备的CdS薄膜则具有晶粒较小、载流子浓度低、光学带隙值小等不足，上述缺点需要通过不同的退火工艺加以改善[7]。已经有研究表明，不同的退火条件对CdS薄膜的形貌特征及其光学性能，都会产生不同的影响，而CdS薄膜的光谱透过率和光学带隙值，则会直接关系到吸收层对太阳光强度和光谱域范围的利用率，从而影响CdS薄膜太阳能电池的转换效率。
由于CdS薄膜作为n型窗口材料，可以与CdTe和CuInSe2等材料制作出高效率太阳电池，同时CdS的制备方法很多，具有较低的成本，所以有非常良好的发展前景，近些年也越来越引起国内外人们的关注[1]。
本课题从化合物半导体太阳能电池的发射极的制备情况，采用水浴法在80℃沉积温度下制备CdS薄膜。在此基础上，研究了不同退火温度、退火时间对CdS薄膜性能的影响，并利用SEM扫描电子显微镜，对薄膜的晶体结构和表面形貌进行研究；利用EDS研究退火后薄膜元素比例；通过origin制图计算薄膜的禁带宽度。通过上述表征手段来优化退火工艺以制备出结晶质量优异、均匀致密、带隙适中的CdS薄膜。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:CdS薄膜材料化学水浴退火
目录
1． 绪论 1
1.1 太阳能电池的研究背景 1
1.2 主要研究内容 2
2. 实验方法和原理 3
2.1化学水浴法的基本原理 3
2.2 真空管式炉的结构简介 5
2.3 实验设备及原材料 5
2.4 表征及测试方法 6
2.4.1 X射线衍射仪 6
2.4.2 SEM扫面电子显微镜 6
2.4.3 EDS元素分析仪 7
2.4.4 紫外-可见分光光度计 7
3.不同退火温度对薄膜性能的影响 9
3.1退火温度对CdS薄膜结构的影响 9
3.2退火温度后CdS薄膜的光学性能 10
3.3 本章小结 12
4.不同退火时间对薄膜性能的影响 13
4.1退火温度对CdS薄膜结构的影响 13
4.2退火温度后CdS薄膜的光学性能 14
4.3 本章小结 16
5. 结论及展望 17
5.1 结论 17
5.2 展望 17
参考文献 18
致谢 19
1． 绪论
1.1 太阳能电池的研究背景
一直以来，生产生活之中广泛的以煤、石油和天然气等化石燃料作为主要能源。随着社会经济的发展与人类文明的进步，当今世界对能源的需求量日趋增长，而这些能源基本上都属于不可再生能源，且其存储量是有限的，因此仅仅依靠化石燃料已经远远不能满足现如今生产生活的需要。
预计，广泛应用于当今社会的能源还能被人们用一百年的时间，不仅如此，这些化石燃料的燃烧会产生大量的二氧化碳，而全球气候变暖的主要因素就是大气中的二氧化碳含量的不断增加。所以对这些能源的大量使用，造成了温室效应，加速全球气候变暖，破坏了整个生态平衡，还会产生严重的环境污染，给人类及地球上的各类动植物的生存带来了巨大威胁。因此，当代社会迫切需要发展一个庞大的储备量，有利于环境保护，清洁无污染的可再生能源，以满足人类对能源的需求量增加。
在对新能源的不断寻找与研究过程中，太阳能逐渐走入当今人们的视线之中。与常规能源相比，太阳能具有以下三个主要优势：
第一，在人类可以利用的能源中，太阳能的存储容量是最丰富的。据统计数据显示，在过去的十几亿年里，太阳发光伏热仅仅消耗了太阳本身2%左右的能量。按照这样的速度来计算，太阳足足能够满足人类使用几十亿年甚至更久，所以太阳能可谓是取之不尽、用之不竭，符合当今人们所追寻的新能源要求的一种能源。第二，整个地球基本上都能被太阳能覆盖到，我们就可以利用太阳能的覆盖率广泛的这个特点，在各个地方都可以进行对太阳能的利用，从而能源的运输也就不会成为困扰及限制因素，特别是对于解决交通欠发达的山区、农村以及其他偏远地区的能源供应问题。第三，太阳能是一种非常干净，无污染的能源。相比于会产生二氧化碳气体的常规能源煤、石油等，在开发和利用太阳能时，则不会产生大气污染、加速全球变暖等一系列的环境问题，因此对太阳能的利用是一种符合人与自然和谐相处的方法与途径。
与此同时，光伏发电也具有众多优势：
第一，发电的形式较为简单，没用中间相互转换能力的复杂过程。第二，太阳能发电没有一定的机械部件，因此不会产生机械磨损、产生噪音等问题。第三，整个系统安装比较简单，且对系统的后期维护也相对简单，维护成本也很低。第四，太阳能电池寿命长（一般可达25年以上），且性能稳定。第五，适合大面积地生产，降低生产成本与繁琐程度。
所以最能满足时代发展的新能源是太阳能，而开发和利用太阳能对人类未来的生活，乃至人类的生存，都具有十分重要的影响。
现在，晶体硅太阳能电池在生产中占主导地位，在市场中大规模生产销售的太阳能电池主要是由单晶硅为原料生产。这主要是因为相比其他太阳能电池，单晶硅太阳能电池具有较高的转换效率，生产技术也颇为成熟。在实验室中研究所得单晶硅太阳能电池的最高转换效率为24.7%，而投入规模生产时电池的效率约为18%（截止2011年）。然而，单晶体硅电池也存在一系列的缺点，如成本高，能耗高，降低成本是很困难的，且生产过程中会产生有毒有害物质，产生严重的环境污染，所以迫切的需要新的技术来取代晶硅太阳能电池。
而与晶体硅太阳能电池相比，晶体硅薄膜太阳能电池则具有成本更低、质量轻、转换效率较高和便于大规模生产的优点，所以晶体硅薄膜正在逐渐取代单晶硅太阳能电池，晶体硅薄膜拥有着更好的发展前景。而作为II-VI族化合物的半导体材料硫化镉（CdS），它的吸收系数很高，在104~105cm-1范围中，其直接带隙禁带宽度也约为2.42eV，同时，由于CdS具有禁带宽度大，短波段的太阳能可以直接通过的优点，因此被广泛用作太阳能电池窗口层[2]。本课题主要进一步研究不同退火条件对CdS薄膜性能的影响。
1.2 主要研究内容
本课题首先选择用水浴法在沉积温度为80℃的条件下制备了CdS薄膜。但水浴法制备的薄膜通常具有表面晶粒小、表面不够平整、均匀性不好的缺点。从而本课题通过选择不同的退火条件来改善水浴法所制备的CdS薄膜的结构及其性能。本课题主要在制备好的CdS薄膜上研究了在不同的退火温度、以及不同的退火时间对CdS薄膜的影响。然后观察不同退火条件对薄膜性能的影响，从而得到退火工艺对薄膜结构的改善有不同的作用与规律。最后，利用X射线衍射仪和SEM扫描电子显微镜进行分析不同退火条件下薄膜的表面形貌和晶体结构；利用EDS元素分析仪分析退火后薄膜元素比例及这些元素分布的均匀性；通过紫外-可见分光光度计来计算算薄膜的透过率与反射率，结合所得透反射率计算出所得CdS薄膜的禁带宽度[8]。本课题通过优化退火工艺，以制备出结晶质量优异、均匀性好、表面致密、带隙适中的CdS薄膜。
2. 实验方法和原理
2.1化学水浴法的基本原理
化学水浴法的机理基本可以分为两类：自由离子之间的反应机理和金属配合物分解反应机理。下面通过用化学浴法制备CdS薄膜为例来介绍化学水浴法的沉积机理：
(1) 离子反应机理：由自由阴离子与自由阳离子直接反应并在衬底表面形核长大得到薄膜，一般称为离子反应机理。反应方程式可以表达为：
Cd 2++ S 2-→CdS
当薄膜按照离子反应机理沉积时，溶液中Cd2+离子的浓度及溶液pH 应满足一定条件，在此条件下Cd2+离子不发生水解。图2.1 为自由离子反应机理沉积CdS薄膜的示意图。当溶液中的Cd2+离子与S2-离子的离子积超过了溶液中CdS的溶度积时，在衬底附近的Cd2+离子和S2-离子便会在衬底的表面异质形核从而形成CdS晶核，接着CdS晶粒就会开始不断长大并互相靠拢，最终成为CdS薄膜。由于一般异质形核相比同质形核相对容易，因此当溶液中Cd2+离子与S2-离子的离子积超过溶液中CdS的溶度积不太多时，CdS薄膜倾向于以异质形核生长为主。此时在化学浴的反应溶液中不会出现沉淀而只有在衬底表面有薄膜出现。但当溶液中Cd2+离子与S2-离子的离子积比溶液中CdS的溶度积超出比较多时，溶液中同样也会有同质形核长大的CdS颗粒，而此时除衬底上有薄膜出现外，溶液中也会有沉淀出现。这种情况下同质形核形成的CdS颗粒还可能会吸附在衬底上，使得所制备的CdS薄膜粘附性降低。由于薄膜是由阴离子与阳离子直接反应得到，因此按照此机理沉积的薄膜中各元素的比例一般与其化学计量比较为接近。
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