一種CdS薄膜的製備方法

2023-04-27 09:24:36

專利名稱：一種CdS薄膜的製備方法
技術領域：
本發明涉及太陽能電池技術領域，具體涉及一種CdS薄膜製備方法。
背景技術：
CdS是一種化學性能穩定的寬禁帶半導體材料。在許多薄膜太陽能電池中作為η 型半導體層和吸收層，如與Cu(InGa)Se, CdTe等ρ型層組成p-η結，從而構成太陽能電池。 在這些器件中，光透過CdS窗口層被ρ-η結附近的ρ型半導體吸收。CdS薄膜的性能直接太 陽能電池的光電轉化效率以及壽命等性能。目前，常用的CdS薄膜的製備方法為CBD法(chemical bath exposition，化學水 浴法)。現有技術中的做法是首先將反應液置於反應槽中，然後襯底豎直插入反應液中， 並固定；用攪拌棒攪拌溶液，在襯底表面沉積一層CdS薄膜，然後超聲處理。CBD法具有設備簡單、成本低廉、容易生長相對均勻緻密的CdS薄膜等優點。因此 成為大規模生產CdS薄膜的首選。但是，現有的CBD法，在製備大面積的CdS薄膜時，很容易出現嚴重的薄膜厚度分 布不均勻的現象(即邊緣效應)。

發明內容
本發明所要解決的問題是現有的CBD法製備大面積CdS薄膜邊緣效應嚴重的問 題。從而提供了一種能有效消除邊緣效應的CdS薄膜製備方法。一種CdS薄膜的製備方法，其包括如下步驟(1)配製反應液；(2)沉積薄膜將襯底置於反應液中，使襯底繞豎直方向的軸旋轉，沉積薄膜；(3)超聲處理反應完成後，將襯底取出置於去離子水中超聲，後取出並烘乾。本發明所提供的CdS薄膜製備方法消除邊緣效應，薄膜均勻性好，而且該方法還 具有沉積速率快的特點，並且製備出的CdS薄膜表面吸附的CdS顆粒極少。


圖1為本發明一較佳實施例所用裝置示意圖。圖2為圖1其中一個襯底的連接關係示意圖。圖3為本發明一較佳實施例所製備的CdS薄膜的表面形貌的掃描電鏡圖。圖4為對比例1所製備的CdS薄膜的表面形貌的掃描電鏡圖。圖5為襯底上測試點的分布示意圖。
具體實施例方式下面將更詳細的介紹本發明。一種CdS薄膜的製備方法，其包括如下步驟
(1)配製反應液；(2)沉積薄膜將襯底置於反應液中，使襯底繞豎直方向的軸旋轉，沉積薄膜；(3)超聲處理反應完成後，將襯底取出置於去離子水中超聲，後取出並烘乾。步驟(1)中，配製反應液既可以採用本領域技術人員所公知的方法，例如依次將 鎘鹽、銨鹽、硫脲混合，最後用氨水調節PH值。也可以採用其他方法。本發明優選如下方法在容器中加入鎘鹽及其同酸根的銨鹽，再加入去離子水形 成溶液，並加入氨水形成溶液A ；另外配製硫脲溶液並加熱到設定的溫度，在沉積時滴加到 溶液A中形成反應液。其中，鎘鹽及其同酸根的銨鹽可以為硫酸鎘+硫酸銨、氯化鎘+氯化銨、硝酸鎘+ 硝酸銨、醋酸鎘+醋酸銨，優選為氯化鎘+氯化銨。溶液A 中 Cd2+ 的濃度為 0. 001-0. 01mol/L,優選為 0. 0025-0· 005mol/L ；NH4+ 的濃度為0. 01-0. lmol/L,優選為0. 04-0. 06mol/L ；氨水濃度為0. 5-0. lmol/L,優選為 0.2-0.35mol/L。其中，反應液中的S元素與Cd元素摩爾比為1 1-6 1，優選為3 1-5 1。本發明溶液A和硫脲溶液的溫度均為60_95°C，優選為75_85°C。本發明中硫脲溶液在沉積時，滴加到溶液A中形成反應液。既可以抑制CdS沉澱 顆粒的出現，從而改善CdS薄膜性能；還可以大大提升沉積速率。步驟(2)中，襯底在使用之前先預處理。預處理為本領域技術人員所公知的，目的 為清除襯底表面雜質，保持襯底表面潔淨。本發明優選將襯底先用丙酮後用去離子水超聲 清洗，最後烘乾。將經過預處理的襯底置於反應液中，使襯底繞豎直方向的軸旋轉，沉積薄膜；襯底在旋轉時同時也起到了攪拌反應液的目的。本發明優選襯底的個數為六塊，六塊襯底分別位於正六稜柱的六個側面上；以正 六稜柱中心軸為旋轉軸。更優選襯底之間留有縫隙，縫隙的大小為襯底底邊長的5% -15%。縫隙一方面有利於襯底所圍成的區域(即正六稜柱內部區域)的反應液與外部的 反應液充分的混合，保持整個體系中反應液濃度均勻。另一方面，可以進一步改善邊緣位置 的水流情況，使水流近似平行地流過襯底。沉積時，襯底的旋轉速度100-1200rad/s，優選為300-600rad/s。沉積時間為 8-40min，優選為 10_20min。整個沉積過程中，反應液恆溫保持在60-95 °C。步驟(3)中的超聲操作為本領域技術人員所公知的操作，即將讓超聲波對襯底進 行超聲波振蕩。在沉積之後的襯底上，一般會含有少量的CdS沉澱顆粒或者其他雜質吸附在CdS 薄膜上，但是其吸附力較差，通過超聲處理可以使CdS沉澱顆粒或者其他雜質從CdS薄膜上 脫落。本發明優選超聲處理的時間為10-30min，更優選為15-20min。步驟(3)中的烘乾亦為本領域技術人員所公知的操作，本發明優選烘乾溫度為 70-100°C，更優選為 80-90°C。
本發明的方法優選通過以下裝置來實現的。如圖1-2所示，該裝置包括旋轉軸1、24根連接杆2、6個長方形或者正方形的襯底 夾3，連接杆2與襯底夾3構成正六稜柱狀，正六稜柱的六個側面分別有一個襯底夾3，連接 杆2位於正六稜柱的兩個底面上，旋轉軸1位於正六稜柱的中心軸上。每個襯底夾3通過 襯底夾四個頂點的四個連接杆2連接在旋轉軸1上。襯底固定在襯底夾3上。每個襯底夾 之間都留有空隙。本發明的發明人發現，造成邊緣效應的主要原因是在CBD法製備CdS薄膜時，在 溶液中會同時存在兩種反應，一種是在襯底上形成薄膜的異質反應，另一種是在溶液中生 成沉澱的同質反應，同質反應生成的沉澱會吸附在薄膜的表面。對於一般普通的攪拌方式， 襯底是固定在容器的邊緣，通常是攪拌中心位於容器的中央位置，所以水流對襯底表面各 點的作用力是不一樣的。襯底的中心部分水流的作用力相對大，形成的薄膜較為均勻緻密， 且吸附的顆粒亦較少，而襯底的左右兩側水流的作用力相對較小，吸附的顆粒就多，經超聲 處理，顆粒大部分脫落，造成薄膜厚度不均，並且薄膜質量較差。而本發明採用繞豎直方向的軸旋轉襯底的方法，旋轉襯底時，襯底周圍的水流方 向幾乎和襯底表面平行，所以水流對襯底各點的作用力相對均勻。從而沉積的薄膜厚度均 勻，性能好。以下結合具體的實施例對本發明作進一步的說明。實施例11、配製反應液a、稱取氯化鎘5. 71g(對應的Cd2+的濃度為0. 0025mol/L)，氯化 銨26. 74g (對應的NH4+濃度為0. 05mol/L)，加入去離子水製成4L溶液，再加入25 %的氨水 0. 21升(對應的溶液中氨水的濃度為0. 28mol/L)形成溶液A，對其加熱至80°C並恆溫。b、 稱取9. 5g硫脲(溶液D中S Cd = 5 1)，加去離子水溶解形成0. 79升硫脲溶液，對其 加熱至80°C並恆溫。在沉積過程中將硫脲溶液滴加到溶液A中形成反應液。2、沉積薄膜將六塊經過預處理的襯底安裝在攪拌夾具上，分別位於正六稜柱的 六個側面上，襯底之間的縫隙為襯底的底邊長的10%，然後將置於反應液中；以正六邊形 中心所在的豎直方向為旋轉軸，使襯底繞旋轉軸旋轉，轉速為400rad/S。沉積20min，將襯 底後取出。3、超聲處理將襯底置於去離子水中超聲20min後取出，然後在烘箱中80°C烘乾。製得CdS薄膜附。實施例2與實施例1不同的是轉速為600rad/s，沉積時間15min。其他部分同實施例1。 製得CdS薄膜N2。實施例3與實施例1不同的是轉速為200rad/s，沉積時間30min。其他部分同實施例1。 製得CdS薄膜N3。實施例4與實施例1不同的是縫隙的大小為襯底底邊長的5%。其他部分同實施例1。制 得CdS薄膜N4。
實施例5與實施例1不同的是步驟1和沉積時間。1、配製反應液分別稱取氯化鎘5. 71g，氯化銨26. 74g，硫脲9. 5g，並分別溶於去 離子製成4升溶液，對其加熱至80°C然後恆溫。量取0. 21升25%的氨水溶於水形成1升 的氨水溶液，並對其迅速加熱到80°C。沉積時間為45min。其他步驟同實施例1，製得CdS薄膜N5。對比例1與實施例1不同的是沉積過程中，攪拌槳在中央攪拌，襯底被固定在反應槽內 壁。攪拌漿的攪拌速率是450rad/s，沉積時間為60min。其餘部分同實施例1。製得CdS薄 膜D1。性能測試膜厚測試採用美國Tencor的Alpha-St印500臺階儀測量，分別測量CdS薄膜邊 緣8個點及中央部分2個點，點的分布圖見圖9。本發明選取以上10點的數據的標準差來表示薄膜厚度的均勻性。標準差的公式
權利要求
一種CdS薄膜的製備方法，其包括如下步驟(1)配製反應液；(2)沉積薄膜將襯底置於反應液中，使襯底繞豎直方向的軸旋轉，沉積薄膜；(3)超聲處理反應完成後，將襯底取出置於去離子水中超聲，後取出並烘乾。
2.根據權利要求1所述的CdS薄膜的製備方法，其特徵在於步驟⑵中所述襯底的個 數為六個，襯底位於正六稜柱的六個側面上；所述豎直方向的軸為所述正六稜柱的中心軸。
3.根據權利要求2所述的CdS薄膜的製備方法，其特徵在於所述襯底之間留有縫隙。
4.根據權利要求3所述的CdS薄膜的製備方法，其特徵在於所述縫隙的寬度為襯底 底邊長的5-15%。
5.根據權利要求1所述的CdS薄膜的製備方法，其特徵在於所述旋轉的速率為 100-1200rad/s。
6.根據權利要求5所述的CdS薄膜的製備方法，其特徵在於所述旋轉的速率為 300-600rad/so
7.根據權利要求1所述的CdS薄膜的製備方法，其特徵在於步驟(2)中反應液恆溫 保持在60-95 °C。
8.根據權利要求1所述的CdS薄膜的製備方法，其特徵在於所述沉積的時間為 8-40min。
9.根據權利要求1所述的CdS薄膜的製備方法，其特徵在於所述配置反應液包括在 容器中加入鎘鹽及其同酸根的銨鹽，再加入去離子水形成溶液，並加入氨水形成溶液A ；另 外配製硫脲溶液並加熱到設定的溫度，在沉積時滴加到溶液A中形成反應液。
10.根據權利要求1所述的CdS薄膜的製備方法，其特徵在於所述超聲的時間為 10_30mino
全文摘要
本發明涉及太陽能電池技術領域，具體公開了一種CdS薄膜製備方法。該方法包括如下步驟(1)配製反應液；(2)沉積薄膜將襯底置於反應液中，使襯底繞豎直方向的軸旋轉，沉積薄膜；(3)超聲處理反應完成後，將襯底取出置於去離子水中超聲，後取出並烘乾。本發明所提供的CdS薄膜製備方法消除邊緣效應，薄膜均勻性好，而且該方法還具有沉積速率快的特點，並且製備出的CdS薄膜表面吸附的CdS顆粒極少。
文檔編號H01L31/18GK101989633SQ20091010920
公開日2011年3月23日 申請日期2009年7月30日 優先權日2009年7月30日
發明者周勇, 曹文玉, 蔡志炬 申請人:比亞迪股份有限公司