溶液法制硫化镉薄膜.doc

1、CdS 薄膜及其制备邢凯健 091201571上海大学 20122013 学年春季学期材料科学导论 C课程论文课程名称： 材料科学导论 C 课程编号： 10415074 论文题目： CdS 薄膜及其制备 姓 名: 邢凯健 学 号: 09120157 论文评语： 论文成绩： 任课教师： 评阅日期： CdS 薄膜及其制备邢凯健 091201572CdS 薄膜及其制备摘要: CdS 薄膜在异质结太阳能电池中是十分重要的 n 型窗口材料, 它的制备可以通过真空镀膜,分子束外延,磁控溅射及化学沉积的方法来实现,而化学沉积方法中,最为常用的就是水浴法是十分重要的。关键词： CdS 薄 膜 化 学 水 浴

2、法 反 应 速 率一 、 CdS 的 基 本 性 质CdS 薄 膜 的 禁 带 宽 度 为 2.42eV， 能 透 过 绝 大 部 分 阳 光 ， 是 十 分 优 秀 的窗 口 材 料 ， 其 薄 膜 质 量 的 好 坏 会 直 接 影 响 在 此 基 础 上 制 备 的 吸 收 层 CdTe薄 膜 质 量 的 好 坏 ， 对 电 池 的 效 率 和 寿 命 是 十 分 重 要 的 。 因 此 如 何 制 备 出 高 质量 的 CdS 薄 膜 成 为 了 一 个 十 分 关 键 的 课 题 。二 、 水 浴 法 制 备 CdS 薄 膜如 今 有 许 多 物 理 方 法 可 以 去 制 备 Cd

3、S 薄 膜 ， 例 如 真 空 镀 膜 法 、 磁 控 溅射 法 等 等 ， 这 些 物 理 方 法 制 备 的 CdS 薄 膜 的 厚 度 均 匀 ， 测 试 的 结 果 也 十 分理 想 ， 那 么 我 们 为 什 么 还 要 使 用 化 学 方 法 去 制 备 CdS 薄 膜 呢 ？ 其 中 最 为 重要 的 因 素 就 是 化 学 方 法 ， 例 如 水 浴 法 ， 所 需 要 的 成 本 十 分 低 廉 ， 特 别 是 与 前面 所 提 到 的 几 种 物 理 方 法 相 比 ， 前 期 所 投 出 的 经 费 是 微 乎 其 微 。 并 且 后 期 也不 会 遇 到 仪 器 维 修

4、 等 问 题 。但 是 水 浴 法 制 备 CdS 薄 膜 的 质 量 从 许 多 文 献 中 可 以 发 现 ， 并 不 是 非 常的 理 想 ， 生 长 所 得 到 的 薄 膜 的 厚 度 不 均 匀 ， 并 且 会 有 气 孔 、 裂 纹 等 等 。 这 是因 为 化 学 方 法 制 备 CdS 薄 膜 的 不 可 控 因 素 太 多 （ 例 如 当 天 的 湿 度 ， 温 度 ，所 使 用 的 仪 器 ， 药 品 的 纯 度 及 实 验 误 差 等 等 ） 。 那 么 我 就 在 上 海 大 学 电 子 楼对 于 该 CdS 薄 膜 的 生 长 作 了 一 定 的 研 究 ， 也 得

5、出 了 一 些 结 论 。2.1 实 验 原 理CdS 的 溶 度 积 很 小 ,所 以 如 果 让 镉 离 子 和 硫 离 子 直 接 反 应 的 话 十 分 容 易生 成 沉 淀 。 这 样 膜 厚 和 膜 的 均 匀 性 就 很 难 控 制 。 如 果 让 硫 以 络 合 物 的 形 式 存在 ， 就 会 减 缓 反 应 速 率 ， 所 以 反 应 方 式 如 下 ：CdS 薄膜及其制备邢凯健 091201573（1）氨水溶于水后产生 OH-：NH3+H2O NH4+OH- (1.1)（2）在碱性环境里面，醋酸镉提供 Cd2+：Cd(Ac)2Cd 2+2Ac- (1.2)（3）未水解的氨

6、和 Cd 离子络合，形成四氨合镉离子正式它起到缓慢释放Cd2+的作用：Cd2+4NH3 Cd(NH3)42+ (1.3)（4）当醋酸铵、氨水、醋酸镉混合以后，对于异质反应，本质上是一种表面吸附- 成核过程。当 Cd2+、OH -生成 Cd(OH)2 吸附在衬底表面。Cd2+2OH-Cd(OH) 2 (1.4)（5）当溶液加入硫脲以后，SC(NH 2)2与 OH-反应分两步释放 S2-。释放的S2-再与 Cd2+结合在衬底和容器壁上生成 CdS。SC(NH2)2+OH-CH 2N2+H2O+HS- (1.5)HS-+OH-S 2-+H2O (1.6)Cd(NH3)42+S2-CdS+4NH 3

7、(1.7)2.2 实 验 仪 器CdS 薄膜及其制备邢凯健 091201574图 1 实 验 装 置2.3 实 验 数 据编 号 温 度 （ 摄 氏 度 ）醋 酸 氨 （ ml） 氨 水 （ ml） 硫 脲 （ ml）1 80 2 3 12 50 2 3 13 65 2 3 14 65 2 3 15 65 2 3 16 65 3 3 17 65 3 3 18 65 2 3.5 19 65 2 3.25 110 65 2 3 111 65 2 2.75 112 65 2 3 1注 ： 加 粗 数 据 为 理 论 标 准 值CdS 薄膜及其制备邢凯健 091201575图 2 不 同 条 件 下

8、生 长 的 CdS 薄 膜上 述 为 几 组 生 长 的 不 错 的 薄 膜 表 面 晶 相 图 。 可 以 发 现 ， 在 于 理 论 计 算 的实 验 数 据 相 近 的 条 件 的 下 生 长 的 薄 膜 质 量 都 比 较 高 。2.4 实 验 结 论不 难 发 现 ， 再 经 过 许 多 次 的 试 验 后 ， CdS 薄 膜 的 质 量 有 可 比 较 明 显 的提 高 。 主 要 体 现 在 薄 膜 的 厚 度 ， 薄 膜 的 均 匀 性 以 及 薄 膜 的 粘 附 性 。 个 人 认 为反 应 速 率 是 水 浴 法 沉 积 CdS 薄 膜 最 为 关 键 的 一 个 因 素

9、， 而 影 响 化 学 反 应 速率 的 因 素 又 有 以 下 几 个 ： 反 应 温 度 、 NH4+离 子 的 浓 度 。在 本 次 试 验 中 ， 我 们 希 望 达 到 65摄 氏 度 恒 温 25min， 而 实 验 室 中 的 恒 温磁 力 搅 拌 器 在 控 制 温 度 上 有 很 大 的 缺 陷 ， 并 且 基 本 无 法 解 决 ， 只 能 通 过 手 动控 温 来 达 到 恒 温 的 要 求 ， 但 是 温 度 浮 动 对 薄 膜 质 量 的 影 响 在 本 实 验 中 是 无 法避 免 的 。 通 过 对 薄 膜 表 面 形 貌 的 观 察 ， 我 们 发 现 ： 当

10、温 度 过 高 ， 薄 膜 的 厚 度会 增 加 并 且 导 致 均 匀 性 差 ， 这 就 说 明 了 反 应 速 率 过 快 ； 当 温 度 过 低 ， 薄 膜的 均 匀 性 虽 然 比 较 理 想 ， 但 是 薄 膜 的 厚 度 以 及 薄 膜 的 粘 附 性 都 很 不 理 想 ， 这就 说 明 了 反 应 速 率 过 慢 。除 了 温 度 对 反 应 速 率 有 影 响 外 ， NH4+离 子 对 反 应 速 率 的 影 响 显 得 更 加CdS 薄膜及其制备邢凯健 091201576的 关 键 。 从 实 验 原 理 中 我 们 不 难 发 现 ， 该 反 应 是 一 个 可 逆

11、反 应 ， 而 NH4+的浓 度 多 少 会 决 定 反 应 的 方 向 。 从 实 验 中 我 们 得 出 通 过 改 变 NH4+离 子 的 浓度 来 控 制 反 应 速 率 的 方 法 有 两 种 ： 一 是 控 制 氨 水 不 变 ， 改 变 NH4Ac 的 量 ；二 是 控 制 NH4Ac 不 变 ， 改 变 氨 水 的 量 。 在 改 变 NH4Ac 的 量 中 ， 我 们 发 现如 果 将 其 量 由 原 来 的 2ml 增 加 至 3ml（ 其 它 全 部 按 照 标 准 值 ） ， 反 应 溶 液 的颜 色 ， 出 现 沉 淀 的 时 间 以 及 薄 膜 的 质 量 都 会

12、得 到 很 好 的 改 善 。 如 果 改 变 氨 水的 量 ， 由 原 来 的 3ml 增 加 至 3.5ml， 会 使 反 应 的 速 率 大 大 减 慢 ， 导 致 薄 膜 的厚 度 过 小 ， 因 此 如 果 希 望 得 到 有 一 定 厚 度 的 薄 膜 ， 那 么 氨 水 量 的 选 择 变 得 尤其 重 要 。抛 开 上 述 比 较 重 要 的 因 素 外 ， 我 们 仍 然 发 现 其 它 因 素 对 于 薄 膜 质 量 的 印象 也 有 着 不 可 忽 视 的 作 用 。 首 先 是 反 应 的 溶 液 的 转 速 ， 如 果 溶 液 的 转 速 过 高 ，会 导 致 溶 液

13、 表 面 不 平 ， 使 得 FTO 玻 璃 沉 底 上 沿 的 薄 膜 均 匀 性 十 分 差 。 其 次是 加 入 FTO 玻 璃 沉 底 及 反 应 物 的 先 后 顺 序 也 会 导 致 薄 膜 的 质 量 有 差 异 。 如果 将 FTO 玻 璃 最 先 放 入 溶 液 中 ， 那 么 在 反 应 时 就 会 比 较 快 的 出 现 沉 淀 ， 从而 破 坏 了 薄 膜 的 均 匀 性 。 这 是 因 为 如 果 先 将 FTO 玻 璃 放 入 溶 液 中 ， 那 么 玻璃 表 面 就 会 吸 附 许 多 Cd 离 子 ， 而 后 续 加 入 硫 脲 后 ， Cd 还 没 有 形 成

14、 洛 合 离子 就 与 硫 脲 发 生 相 对 剧 烈 的 反 应 ， 使 溶 液 浑 浊 ， 不 再 适 合 薄 膜 的 生 长 。 但 是如 果 先 加 入 醋 酸 镉 粉 末 、 NH4Ac、 氨 水 ， 再 加 入 硫 脲 ， 那 么 前 期 就 会 比 较充 分 的 形 成 洛 合 离 子 ， 与 后 加 入 的 硫 脲 反 应 ， 生 成 薄 膜 。三 、 实 验 的 改 进纵 观 本 次 实 验 ， 第 一 个 不 足 就 是 温 度 的 控 制 方 面 ， 如 果 能 够 将 恒 温 做 的更 为 精 确 ， 那 么 得 出 的 数 也 会 更 有 说 服 力 。 但 是 目

15、前 没 有 很 好 的 办 法 去 解 决这 一 问 题 ， 希 望 能 够 通 过 引 进 先 进 的 仪 器 来 弥 补 。第 二 不 足 就 是 产 量 太 低 ， 一 次 只 能 够 完 成 一 片 薄 膜 的 生 长 ， 如 果 能 够 一次 生 长 多 片 ， 那 么 还 是 十 分 理 想 的 。四 、 小 结在 众 多 类 型 太 阳 能 电 池 中 ， CdS/CdTe 薄 膜 太 阳 能 电 池 由 于 具 有 理 想CdS 薄膜及其制备邢凯健 091201577的 禁 带 宽 度 ， 而 且 CdTe 又 是 二 元 合 金 ， 制 作 工 艺 简 单 ， 成 本 相 对 低 廉 ， 易于 大 规 模 生 产 而 被 受 重 视 。 其 中 ， CdS 薄 膜 的 制 备 是 影 响 后 期 太 阳 能 电 池的 性 能 优 劣 的 重 要 因 素 。 从 工 业 化 角 度 出 发 ， 降 低 沉 积 温 度 ， 有 利 于 降 低 成本 。 因 此 通 过 水 浴 法 制 备 CdS 薄 膜 的 发 展 空 间 还 是 很 大 的 ， 具 有 较 高 的 研究 价 值 。