溶液法制硫化镉薄膜.doc

CdS薄膜及其制备邢凯健 09120157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CdS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：（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)2Cd2+2Ac- (1.2)（3）未水解的氨和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(NH2)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-CH2N2+H2O+HS- (1.5)HS-+OH-S2-+H2O (1.6)Cd(NH3)42+S2-CdS+4NH3 (1.7)2.2 实验仪器图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）18023125023136523146523156523166533176533186523.5196523.2511065231116522.7511265231注：加粗数据为理论标准值 图2 不同条件下生长的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，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的关键。从实验原理中我们不难发现，该反应是一个可逆反应，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的禁带