掺杂薄膜的水浴法分析

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇掺杂薄膜的水浴法分析范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

CdS是Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料，CdS薄膜具有立方闪锌矿、六方纤锌矿结构和较宽的带隙，其禁带宽度约为2.42eV。CdS薄膜广泛用于太阳能电池窗口层，作为窗口层材料，对CdS薄膜的要求如下：具有良好的透光性；表面比较平整、致密，附着力好；薄膜电阻率比较小；与衬底、吸收层材料之间具有良好的膨胀系数及晶格匹配程度；薄膜厚度尽量控制在小于100nm的范围内；制备的薄膜缺陷较少，有利于降低载流子的复合率。目前常见的由CdS薄膜作窗口层的太阳电池有CdS/CdTe结构、CdS/CIGS结构[1-3]。稀土元素有着特异的电子结构，具有未充满的4f壳层，有很强的吸收和传递辐射的能力，丰富的分离能级和长寿命的激发态[4~8]。所以本文通过掺杂稀土元素Dy，分析Dy对CdS薄膜各种性能的影响，以期制备出更适合作窗口层的薄膜，从而找到相对稳定性好、转换效率高、成本低的CdS薄膜。

1实验

1.1CdS薄膜的制备先将玻璃衬底用二次去离子水、四氯化碳、丙酮、无水乙醇各擦洗一遍，再依次用二次去离子水、四氯化碳、丙酮、无水乙醇热超声清洗5min，最后将清洗干净的玻璃衬底用无水乙醇脱水、干燥备用。（1）纯CdS薄膜的制备在化学水浴法中，对薄膜质量的影响因素有很多，其中主要包括各种反应物初始浓度、溶液PH值、水浴温度和反应时间等。本实验将对以上成膜因素进行分析讨论，寻求最佳的沉积条件。将适量的反应物CdCl2、SC(NH2)2、NH4Cl分别溶于30ml的蒸馏水中，然后将氯化镉、氯化氨、氨水溶液混合（调节PH值至11），制成先驱液，之后再与硫脲溶液混合，将所配制溶液倒入反应烧杯中，调节溶液体积至100mL。将转子和洁净的玻璃片放入配制好的溶液中，再将反应烧杯放入一定温度的水浴锅中，调节搅拌速率，一定时间后取出玻璃衬底，用蒸馏水清洗，擦拭样品表面无粘性颗粒，干燥，放入干燥塔保存。调节反应物浓度、反应温度和沉积时间可研究工艺条件对薄膜性能的影响。在氮气气氛中，T=350℃、t=40min条件下对薄膜进行热处理。（2）Dy掺杂CdS薄膜的制备对于掺杂的样品，按照Dy2O3/CdS=0.5%进行称量，并将称量好的氧化镝溶解到适量的稀硝酸中，充分搅拌，得到硝酸盐的水溶液。之后将硝酸盐水溶液加入到上述已配制好的硫脲、氯化镉、氯化氨混合溶液中，其他条件与制备纯CdS薄膜相同。

1.2样品的测试用SGC-10型薄膜测厚仪，测试样品的厚度。用S-3400型扫描电镜分析薄膜样品的表面形貌和晶粒大小。用TU-1901型紫外可见分光光度计对薄膜进行光透射测试。用KratosAmicus型光电子能谱仪对样品进行X射线光电子能谱分析，选用Mg阳极靶，能量分辨率为1eV，入射角为45°，X射线功率为180W，分析室真空度为2×10-6Pa。通过能谱分析，研究样品的表面成分及化学态等。

2结论与分析

在化学水浴法中，影响薄膜质量的因素有很多，其中主要包括各种反应物初始浓度、溶液PH值、水浴温度和反应时间等。本实验将对以上成膜因素进行分析讨论，寻求最佳的沉积条件。

2.1反应物浓度对薄膜质量的影响将各种反应物浓度加倍，其余条件均相同（水浴温度：70℃，PH值:11，沉积时间：30min），制备薄膜。观察制备的薄膜，结果发现：各反应物浓度增加之后，薄膜表面比较粗糙,测试发现薄膜的厚度也会增加。并运用紫外可见分光光度计测试其光学特性，见图1。实验结果表明在可见光光谱范围内，由高浓度反应物制备的薄膜光透过率都比较低，所以实验中应采取低反应物浓度制备薄膜。

2.2反应温度对薄膜质量的影响实验中设置水浴温度分别为50℃、60℃、70℃、80℃、90℃，其余条件均相同（PH值:11，沉积时间：30min），制备CdS薄膜。实验结果发现50℃时，溶液中的反应物不发生反应，无法生成CdS薄膜，70℃、80℃时，薄膜的质量最好，表面致密、光滑。应用紫外可见分光光度计对制备的薄膜样品进行测试，得到不同沉积温度下薄膜的透光率，如图2。光透过率曲线表明，在可见光谱300nm勰550nm波长范围内，60℃、90℃制备的CdS薄膜光透过率比较高；在550nm勰800nm范围内，70℃、80℃制备的CdS薄膜光透过率比较高。

2.3反应时间对薄膜厚度的影响实验中，控制薄膜沉积时间为10min、20min、30min、40min、50min、60min、70min、其它条件保持不变（水浴温度：70℃，PH值:11），制备薄膜样品。对制备好的样品进行厚度测试，研究沉积时间对薄膜厚度的影响，结果见图3。测试结果表明随着沉积时间的增加，薄膜的厚度呈现出单调增加的趋势，在沉积时间为30min后，薄膜的厚度达到90nm左右，之后随着沉积时间的增加，薄膜厚度的增加趋势变的缓慢，厚度的增加幅度变小，当沉积时间在60min到70min时，薄膜的厚度达到110nm,所以为了制备出厚度适合作窗口层的薄膜,应将沉积时间控制在30min。实验中通过对薄膜工艺条件的摸索，发现制备薄膜的最佳条件为低反应物浓度，水浴温度70℃，沉积时间为30min。依照这种沉积条件，制备薄膜样品，并对样品进行结晶学、表面形貌学、光学、成分分析等方面进行测试。

2.4掺Dy薄膜的晶体结构对已制备好的掺Dy的CdS薄膜和纯CdS薄膜进行热处理（T=350℃,t=40min）,并通过X射线衍射扫描分析，对比纯CdS薄膜和Dy掺杂CdS薄膜的结晶状况和物相结构。图4掺Dy的CdS薄膜的XRD图Fig.4XRDpatternofCdS:Dythinfilm由图4可见，掺Dy的CdS薄膜在2θ=26.735°(d=3.3318）、2θ=54.814°（d=1.6734）位置均出现CdS立方闪锌矿结构的[111]、[222]晶向衍射峰，薄膜仍沿[111]晶向择优生长，但峰位向低角度方向稍有偏移，同时与纯CdS薄膜相比，掺Dy薄膜的[111]晶向衍射峰强度增加，这表明稀土元素Dy的掺入改善了薄膜的结晶状况。

2.5CdS薄膜的表面形貌，与纯CdS薄膜对比发现，掺杂Dy薄膜表面依然呈粒状分布，但颗粒更均匀，表面更平整、致密。这表明微量稀土元素Dy的掺入有助于改善薄膜表面状况。研究表明CdS薄膜表面的致密、平整性有利于减少太阳电池的漏电现象，有助于太阳电池转换效率的提高。

2.6CdS薄膜的XPS能谱在实验中用Mg阳极靶作为X射线源，采集已制备好CdS薄膜样品的光电子能谱。实验过程中由于荷电效应的存在，会使谱图中所有元素的光电子峰峰位向高结合能方向偏移。因此，在样品谱线分析过程中需通过C(1s)的结合能（284.8eV）,对全谱进行校正。本文所有图谱均已进行校正。纯的CdS薄膜与无刻蚀谱图比较，样品刻蚀10s之后，C元素的谱峰变得较微弱，这说明样品表面的碳元素为污染所致，这些碳元素的出现可能为固定玻璃片的含碳胶带和空气中吸附的CO2所致。观察S元素光电子峰，发现其在无刻蚀时比较微弱，而在刻蚀10s后却清晰可见，同时Cd元素的3d光电子峰和俄歇峰也在刻蚀之后变得清晰，这说明样品表面富集的碳元素会掩盖许多信息，应该在样品测试之前被祛除。图6（b）为Dy掺杂CdS薄膜刻蚀10s后的XPS谱图。从纯CdS薄膜和掺Dy的CdS薄膜图谱中可观察到曲线中主要出现了：Cd(4d)、S(2p)、S(2s)、C(1s)、Cd(3d)、O(1s)、Cd(3p)、CdMNN和SLMM的俄歇谱线，这表明薄膜表面成分以Cd、S、O三种元素为主，未出现其他杂质。图6（b）中未出现Dy元素的光电子特征峰，可能是试验中掺杂量太低（0.5%），使得仪器无法识别。

2.7CdS薄膜的光学特性从图7中可得Dy掺杂的CdS薄膜在短波范围内的透光率和纯CdS薄膜的透光率基本一致，当光波长大于550nm时，掺杂Dy的CdS薄膜的透光率明显增强，说明Dy的掺入可以增强可见光范围内光的透过率，对作为窗口层材料的CdS薄膜是非常有利的。

3结论

（1）水浴温度在70℃~80℃，PH值约11，沉积时间为30min，制备的CdS薄膜均为立方闪锌矿结构，且沿[111]晶向择优生长，薄膜表面平整、致密。（2）掺杂Dy并未改变CdS薄膜的晶体结构和择优取向，但掺杂Dy的CdS薄膜表面附着力更好，表面颗粒更均匀致密。（3）Dy的掺入可以增强CdS薄膜在可见光范围内光的透过率，对作为窗口层材料的CdS薄膜是有利的。