CIGS薄膜太陽(yáng)能電池緩沖層CdS薄膜的制備研究

何麗秋

（廣西地凱光伏能源有限公司，廣西賀州，530003）

CIGS薄膜太陽(yáng)能電池緩沖層CdS薄膜的制備研究

何麗秋

（廣西地凱光伏能源有限公司，廣西賀州，530003）

目前CdS材料的制備方法有很多種，但是最常用的是化學(xué)水浴法。本文研究了濃度、反應(yīng)溶液pH值、溫度、沉積時(shí)間對(duì)CdS緩沖層薄膜的影響，對(duì)CIGS薄膜太陽(yáng)能電池緩沖層CdS薄膜的制備方法進(jìn)行了論述。

CIGS ；太陽(yáng)能電池； CdS；綜述

1　CdS薄膜的影響因素

CdS材料作為一種直接帶隙的n型半導(dǎo)體，可以較好提高CIGS太陽(yáng)能電池的性能，是目前CIGS太陽(yáng)能電池使用率最高的材料。經(jīng)研究分析，發(fā)現(xiàn)對(duì)該材料的制備產(chǎn)生影響的因素主要如下：

1.1濃度對(duì)CdS薄膜的影響。敖建平和孫云發(fā)表的《CIGS電池緩沖層CdS的制備工藝及物理性能》一文中，指出醋酸銨硫脲濃度對(duì)CdS薄膜的晶相沉積速度有著相關(guān)的聯(lián)系。他們認(rèn)為，當(dāng)醋酸銨硫脲濃度逐漸增加時(shí)，對(duì)于薄膜立方相的生成是有利的，并且沉積速度和濃度的大小成正比例增長(zhǎng)。

方小紅等人所寫(xiě)的《薄膜的化學(xué)水浴法制備及其性能表征》一文對(duì)制備CdS薄膜時(shí)所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)以及反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了深入的討論和分析，根據(jù)研究的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，氨水濃度對(duì)CdS薄膜是有著較為明顯的影響。文章指出，當(dāng)氨水濃度處在一個(gè)比較適中的位置時(shí)，NH 3濃度和OH-濃度則往往也是比較平衡的，異質(zhì)成核優(yōu)于同質(zhì)成核，而且產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)速度也較為快一些，薄膜質(zhì)量也相對(duì)較為優(yōu)質(zhì)。

1.2反應(yīng)溶液pH值對(duì)CdS薄膜的影響。張險(xiǎn)峰，張弓等發(fā)表的《溶液pH值對(duì)化學(xué)浴沉積CdS薄膜性能的影響》一文中，對(duì)反應(yīng)溶液pH值對(duì)CdS薄膜的影響進(jìn)行了深入的分析。根據(jù)他們的研究成果顯示，反應(yīng)溶液pH值能對(duì)CdS薄膜產(chǎn)生影響。根據(jù)他們的研究?jī)?nèi)容表明溶液中硫脲的分解速度和絡(luò)合劑的絡(luò)合能力都受到反應(yīng)溶液pH值的影響，并且指出反應(yīng)溶液pH值為11.6的時(shí)候，CdS薄膜的精密度是處在最高水平的。

崔巖等人所發(fā)表的《pH值CBD-CdS薄膜性能的影響》一文中指出：當(dāng)反應(yīng)溶液pH值在8.43-10.09之間時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)反應(yīng)溶液pH值降低時(shí)候，晶粒則會(huì)出現(xiàn)擇優(yōu)生長(zhǎng)的情況，同時(shí)CdS薄膜的透光率也是不斷的開(kāi)始進(jìn)一步提高，寬度也是進(jìn)一步增大。

薛玉明等人也研究了反應(yīng)溶液pH值對(duì)CdS薄膜特性所產(chǎn)生的影響。根據(jù)研究結(jié)果表明，隨著pH值不斷的發(fā)生變化，CdS薄膜的晶相由開(kāi)始的六方相向立方相進(jìn)行轉(zhuǎn)變，這種轉(zhuǎn)變對(duì)太陽(yáng)能電池性能有著不同的影響，他們認(rèn)為轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎较嗟腃dS薄膜對(duì)于提高太陽(yáng)能電池的性能是有利的，因此，在這方面可以通過(guò)調(diào)節(jié)pH值從而達(dá)到提高太陽(yáng)能電池性能的目的。

1.3水浴溫度對(duì)CdS薄膜的影響。張弓、段宇波等人在其所發(fā)表的《水浴溫度對(duì)化學(xué)浴沉積CdS薄膜性能的影響》一文中指出，CdS薄膜薄膜的生長(zhǎng)速率和水浴溫度的大小的關(guān)系密不可分，當(dāng)水浴溫度比較高時(shí)，其生長(zhǎng)速率會(huì)比較顯著的增加，薄膜也逐漸的變得致密不再疏松。但是，這也并不是意味著溫度越高，薄膜就越具有優(yōu)質(zhì)性，因?yàn)樗囟纫坏┻^(guò)高，會(huì)導(dǎo)致薄膜的表面晶粒不再細(xì)膩，而是非常的粗糙，水浴溫度越高，其結(jié)晶的程度越高。

李巍，方小紅等人也對(duì)溫度對(duì)CdS薄膜孔洞形成所產(chǎn)生的影響進(jìn)行了深入的分析和研究，他們認(rèn)為在溫度達(dá)到75℃時(shí)異質(zhì)成核是比較好的，形成的薄膜也相對(duì)較致密。同時(shí)，歐陽(yáng)珉路通過(guò)運(yùn)用CBD法在乙酸鎘硫脲和氨水的溶液體系中制備出CdS薄膜時(shí)，指出溫度逐步升高時(shí)對(duì)于薄膜的沉積是有利的。但是，當(dāng)溫度接近沸點(diǎn)的時(shí)候，相反的沉積速度會(huì)逐步的減慢。因此，為了能夠更好的制備CdS薄膜，需要將水浴溫度控制在85℃左右是比較適宜的。

1.4沉積時(shí)間對(duì)CdS薄膜的影響。曹萌，吳杰等人采用CBD法分析了沉積時(shí)間對(duì)CdS薄膜的影響，指出沉積時(shí)間的不同對(duì)薄膜的厚度和光學(xué)特性的影響是不同的。在酸性條件下，水浴沉積時(shí)間延長(zhǎng)，薄膜的厚度也增大，同樣的晶粒尺寸也是逐步的增大，帶隙也開(kāi)始減小。當(dāng)沉積時(shí)間為30min時(shí)， CdS薄膜的平均透光率將近80%。另外，隨著沉積時(shí)間的延長(zhǎng)，CdS薄膜的光學(xué)吸收也是增強(qiáng)的，CdS薄膜的厚度也開(kāi)始增加。所以，可以小幅度的調(diào)控CdS帶隙去改變沉積時(shí)間。

通過(guò)采用CBD法在醋酸鎘溶液體系中制備CdS薄膜，發(fā)現(xiàn)沉積時(shí)間的延長(zhǎng)對(duì)于CdS薄膜厚度的增加以及致密度的增加是有利的，隨著Cd 與S原子比增加， CdS薄膜的結(jié)構(gòu)也開(kāi)始發(fā)生變化，由立方六方混合相向立方相開(kāi)始轉(zhuǎn)變，而且薄膜的透過(guò)率開(kāi)始減小，禁帶寬度值也開(kāi)始逐步的增大。

2　緩沖層CdS薄膜的制備

目前制采用化學(xué)水浴法制備CdS薄膜是最為常用的，化學(xué)水浴沉積的CdS薄膜可以較好的滿(mǎn)足CIGS電池的要求，并且操作起來(lái)比較方便，設(shè)備相對(duì)較為簡(jiǎn)單，可以大面積的沉積。

2.1化學(xué)水浴沉積CdS薄膜的反應(yīng)機(jī)理。現(xiàn)在的太陽(yáng)能電池領(lǐng)域，高效率的CIGS太陽(yáng)能電池基本上也是使用化學(xué)水浴法沉積CdS薄膜作為CIGS電池的緩沖層，。采用化學(xué)水浴沉積的CdS薄膜，基本上是由鎘源、硫源、絡(luò)合劑氨水、銨鹽反應(yīng)而取得。其中銨鹽（也可用氨水）的作用是起到緩沖的作用。

一般而言，溶液中存在同質(zhì)反應(yīng)和異質(zhì)反應(yīng)這兩種反應(yīng)機(jī)理。在反應(yīng)混合液中，CdS的容積度往往是非常小，Cd離子與S離子很容易通過(guò)反應(yīng)直接生成CdS沉淀，即同質(zhì)反應(yīng)。同質(zhì)反應(yīng)生成的顆粒一般比較大，這種反應(yīng)機(jī)理比較簡(jiǎn)單，容易吸附在襯底的表面。而異質(zhì)反應(yīng)機(jī)理則相對(duì)復(fù)雜一些，生成的薄膜比較均勻致密，外表面相對(duì)光滑。這兩種反應(yīng)機(jī)制一般情況都會(huì)存在，不過(guò)在初期是異質(zhì)反應(yīng)占據(jù)主要的地位，薄膜比較均勻致密，外表面相對(duì)光滑。到了反應(yīng)的中后期，隨著反應(yīng)時(shí)間的推移，同質(zhì)反應(yīng)開(kāi)始占據(jù)主導(dǎo)地位，薄膜表面開(kāi)始變得疏松，表面也會(huì)出現(xiàn)比較大的顆粒附著物。

2.2化學(xué)水浴法沉積CdS薄膜。通過(guò)不斷的去改變前驅(qū)液中的氨水量來(lái)調(diào)整水浴環(huán)境的pH值，從而促使不同水浴環(huán)境下的pH值下所制備的CdS薄膜光學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變。根據(jù)光學(xué)性質(zhì)和薄膜表面SEM進(jìn)行分析，得出采用此方法最佳的pH值。通過(guò)已經(jīng)組裝的納米PS小球的襯底上，根據(jù)已經(jīng)得出來(lái)的最優(yōu)的既定條件去沉積CdS，去制備二維有序CdS納米環(huán)陣列，減小CdS薄膜反射，進(jìn)而進(jìn)一步增大光的吸收。并在上述所論述的條件下，在襯底上去沉積CdS薄膜。這種方法，要根據(jù)實(shí)際反應(yīng)的條件進(jìn)行調(diào)整，力求制備CdS薄膜的最優(yōu)化。

3　小結(jié)

緩沖層是CIGS薄膜太陽(yáng)能電池的重要組成部分，可以較好地改善CIGS薄膜太陽(yáng)能電池的性能，所以受到的關(guān)注度也比較高?，F(xiàn)在高效太陽(yáng)能電池的吸收層均采用真空工藝制備緩沖層，而通常所采用化學(xué)水浴法制備電池器件往往要走出真空室才能應(yīng)用化學(xué)水浴法，不利于電池器件的一次制備，以此不利于規(guī)模生產(chǎn)，因此對(duì)適合于CIGS太陽(yáng)能電池一次真空制備緩沖層的工藝研究是今后探討的重點(diǎn)。

［1］郭鶴桐，姚素薇，編著.基礎(chǔ)電化學(xué)及其測(cè)量［M］.化學(xué)工業(yè)出版社， 2009

［2］楊德仁，編著.太陽(yáng)電池材料［M］. 化學(xué)工業(yè)出版社， 2006

［3］陳代高，銅銦硒材料及薄膜的制備［D］.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2011

［4］敖建平，孫云等. CIGS電池緩沖層CdS的制備工藝及物理性能［J］.太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2006（7）682

［5］崔巖等.pH值對(duì)CBD-CdS薄膜性能的影響［J］.功能材料2009，40（2），197

［6］張弓、段宇波水浴溫度對(duì)化學(xué)浴沉積CdS薄膜性能的影響［J］.中國(guó)表面工程，2010（5），10

何麗秋，女，瑤族，1985年6月，廣西賀州鐘山，學(xué)歷：碩士研究生。

Studies on chemical bath deposited CdS buffer layers for CIGS thin film solar cells

He Liqiu
（Guangxi DiKai solar energy CO.，LTD， Guangxi HeZhou，530003）

At present，the preparation methods of CdS has many kinds，The chemical bath deposition（CBD）is the most commonly method.In this review，the effects of concentration，pH，temperature and deposition time on the CdS buffer layer were studied.The preparation methods of CIGS thin film for CdS thin film solar cells were discussed.

CIGS；solar cell；CdS；Review