化學(xué)水浴法制備ZnS薄膜的結(jié)構(gòu)與性能*

李仲，黃賽濠，洪瑞江

(1. 青海民族大學(xué)物理與電子信息科學(xué)學(xué)院，青海 西寧 810007; 2. 中山大學(xué)物理學(xué)院∥廣東省光伏技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510006)

化學(xué)水浴法制備ZnS薄膜的結(jié)構(gòu)與性能*

李仲1，黃賽濠2，洪瑞江2

(1. 青海民族大學(xué)物理與電子信息科學(xué)學(xué)院，青海 西寧 810007; 2. 中山大學(xué)物理學(xué)院∥廣東省光伏技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510006)

采用化學(xué)水浴法制備了ZnS薄膜，并從沉積ZnS薄膜的化學(xué)反應(yīng)原理出發(fā)，對(duì)其結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了綜合研究。結(jié)果表明：隨著沉積時(shí)間的增加，ZnS薄膜厚度增加，其光學(xué)透過(guò)率降低，薄膜的禁帶寬度也隨之變小，最小值為3.74eV；而薄膜的粗糙度變化不大，其值在6～9nm之間。隨著反應(yīng)物濃度的增加，薄膜的光學(xué)透過(guò)率呈先增加后減小的變化，當(dāng)反應(yīng)物濃度過(guò)低或過(guò)高時(shí)，沉積反應(yīng)都會(huì)向同質(zhì)反應(yīng)偏移，在薄膜表面生成雜質(zhì)，導(dǎo)致薄膜不均勻。當(dāng)沉積時(shí)間為120min，ZnSO4、SC(NH2)2和NH3·H2O的濃度分別為0.03、0.4和4.0mol/L時(shí)，沉積的ZnS薄膜呈均勻致密結(jié)構(gòu)，成分為單一ZnS相，其光學(xué)透過(guò)率在450 ～ 900nm波段高于70%。

硫化鋅；化學(xué)水浴法；銅銦鎵硒；薄膜太陽(yáng)電池；緩沖層

銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽(yáng)電池近年來(lái)發(fā)展迅速，其實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到22.6%[1]。高效CIGS薄膜太陽(yáng)電池在吸收層CIGS與窗口層ZnO之間會(huì)引入一層緩沖層，以減小CIGS與ZnO的能帶和晶格失配，調(diào)整帶邊失調(diào)，提高p-n結(jié)質(zhì)量[2]。目前最高效率CIGS薄膜太陽(yáng)電池的緩沖層采用的是Ⅱ-Ⅵ化合物半導(dǎo)體CdS薄膜。由于制備工藝不同，CdS薄膜具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)和纖鋅礦結(jié)構(gòu)，兩種結(jié)構(gòu)都與CIGS之間有良好的匹配。CdS層還可以防止濺射ZnO時(shí)，工藝過(guò)程對(duì)CIGS吸收層的損害，并且S可以鈍化CIGS表面缺陷，Cd可以在CIGS表面形成CdCu施主，使薄膜表面反型[3]。然而，Cd是一種有毒的元素，工藝過(guò)程中的Cd廢液以及廢舊電池中Cd的流失可能會(huì)造成環(huán)境的污染。同時(shí)，由于CdS的帶隙較低，為2.4 eV，會(huì)導(dǎo)致材料對(duì)短波長(zhǎng)光子的寄生性吸收，使短路電流Jsc損失大約2 mA/cm2[4]。因此研究采用無(wú)Cd材料作為緩沖層是近些年來(lái)的研究熱點(diǎn)之一，無(wú)Cd緩沖層材料需要具有和CdS相似的性能且對(duì)環(huán)境無(wú)污染等特性。近年來(lái)所使用的材料有 ZnSe、 ZnS、ZnO等[5]。

由于Cd、Zn同屬IIB族元素，其化學(xué)性質(zhì)相似，因此其硫化物ZnS和CdS的性質(zhì)也極為相似。硫化鋅(ZnS)屬于Ⅱ-Ⅵ族直接帶隙半導(dǎo)體化合物，其禁帶寬度為3.6 ～ 3.8 eV，兼具環(huán)境友好、可耐高溫沉積、原料豐富等特性，是理想的無(wú)鎘緩沖層材料[6-7]。本文在傳統(tǒng)化學(xué)水浴法工藝的基礎(chǔ)上，研究了不同沉積工藝(如氨水(NH3·H2O)、硫脲(SC(NH2)2)、硫酸鋅(ZnSO4)的不同濃度以及沉積時(shí)間等)對(duì)ZnS薄膜生長(zhǎng)及性質(zhì)(如光學(xué)性能、結(jié)構(gòu)、形貌等)的影響，探討薄膜的生長(zhǎng)機(jī)制，優(yōu)化出制備ZnS薄膜的工藝條件。

1 實(shí)驗(yàn)方法

選取尺寸為25 mm × 75 mm × 1 mm的鈉鈣玻璃載玻片為沉積襯底，先用洗潔精對(duì)其進(jìn)行清洗，然后依順序在稀鹽酸、丙酮、無(wú)水乙醇、去離子水中，分別超聲清洗15 min。采用化學(xué)水浴法(CBD)在襯底上沉積ZnS薄膜，所用化學(xué)藥品皆為分析純。反應(yīng)溶液的配制過(guò)程如下：取500 mL的燒杯，先將ZnSO4配成200 mL的基液，置于水浴加熱和磁力攪拌的環(huán)境中，再配70 mL SC(NH2)2溶液，30 mL NH3·H2O溶液備用。待基液的溫度升至80 ℃時(shí)，將SC(NH2)2和NH3·H2O同時(shí)倒入。再將載玻片用夾具固定，豎直放入溶液，通過(guò)調(diào)節(jié)反應(yīng)物配比和反應(yīng)時(shí)間來(lái)調(diào)控薄膜生長(zhǎng)。沉積完畢后烘干，進(jìn)行進(jìn)一步測(cè)試。

實(shí)驗(yàn)中，采用DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，由鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司生產(chǎn)，其水槽容量為250 ～ 2 000 mL，加熱功率為300 W，電機(jī)功率25 W，轉(zhuǎn)速0 ～ 1 250 r/min；120 W超聲波清洗器，容量238 mm× 138 mm× 100 mm，由瑞德公司生產(chǎn)；DHG-9076A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，由上海浦東榮豐科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)；TP-214電子天平，精度為0.1 mg，由丹佛北京有限公司生產(chǎn)。

采用橢偏儀(Sentech SpectraRay/3型)測(cè)定薄膜的折射率與厚度，光學(xué)3D輪廓儀(Veeco NT9100型)測(cè)量薄膜的表面粗糙度，X射線衍射儀(XRD)(PANalytical Empyrean型)分析薄膜的結(jié)晶性，冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)(JSM-6330F型)觀察薄膜的微觀形貌，紫外/可見/近紅外分光光度計(jì)(Hitachi-U4100型)測(cè)量薄膜的光學(xué)透過(guò)率。

2 結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)中，采用氨水體系沉積ZnS薄膜，其反應(yīng)原理式如式(1)-(6)所示。首先，NH3·H2O 的水解達(dá)到電離平衡；ZnSO4在溶液中溶解，生成Zn2+；同時(shí)，Zn2+與NH3·H2O 發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，生成[Zn(NH3)4]2+； [Zn(NH3)4]2+被襯底的表面所吸附，SC(NH2)2水解所生成的S2-接近[Zn(NH3)4]2+時(shí)會(huì)導(dǎo)致鋅氨絡(luò)合鍵產(chǎn)生松弛，最后S2-置換氨配位體生成了ZnS 薄膜。

(1)

(2)

(3)

ZnS+4NH3+CH2N2+2H2O

(4)

其中SC(NH2)2在堿性溶液進(jìn)行水解反應(yīng)，釋放出S2-的反應(yīng)式如下：

(5)

(6)

在CBD沉積過(guò)程中，不同的反應(yīng)物濃度與反應(yīng)時(shí)間，極大地影響沉積薄膜的成分及性能。實(shí)驗(yàn)中，分別通過(guò)調(diào)整ZnSO4、SC(NH2)2、NH3·H2O的濃度以及反應(yīng)時(shí)間來(lái)控制ZnS薄膜的生長(zhǎng)。為了控制反應(yīng)為氨水體系下的異質(zhì)反應(yīng)[8]，通過(guò)進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)分析后，初步得出薄膜的沉積工藝為：水浴溫度為80 ℃、磁轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為300 r/min，而反應(yīng)物ZnSO4、SC(NH2)2、NH3·H2O的濃度范圍應(yīng)分別控制在0.015～0.030、0.2～0.5和2～5 mol/L之間，使成膜的質(zhì)量較好。在該參數(shù)范圍內(nèi)，繼續(xù)探究各實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)薄膜沉積的影響。

2.1 沉積時(shí)間對(duì)沉積薄膜的影響

圖1是在ZnSO4、SC(NH2)2、NH3·H2O的濃度分別為0.025、0.4和4.0 mol/L時(shí)，不同沉積時(shí)間制備的ZnS薄膜的光透過(guò)率圖譜?？梢钥闯?，采用化學(xué)水浴法制備的ZnS的平均光透過(guò)率大于75%，薄膜具有吸收短波(300～400 nm)而透過(guò)長(zhǎng)波(>400 nm)的特性，這是由于ZnS薄膜的光學(xué)帶隙為3.7 eV，其對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為335 nm左右，即在理論上，ZnS薄膜能吸收波長(zhǎng)小于335 nm的光子，而選擇透過(guò)波長(zhǎng)大于335 nm的光子。此外，隨著沉積時(shí)間的增加，ZnS薄膜的透過(guò)率降低，這主要是由于薄膜厚度隨沉積時(shí)間增加而增大所引起的。同時(shí)，薄膜的致密度增加也是光透過(guò)率下降的重要原因。

ZnS薄膜為直接帶隙材料，其禁帶寬度Eg與吸收系數(shù)a存在以下關(guān)系：

(7)

式中，h為普朗克常數(shù)，ν為入射光頻率，A為常數(shù)。以hν為橫坐標(biāo)，(ahν)2為縱坐標(biāo)作圖，以曲線中的線性部分作直線，直線與橫坐標(biāo)的截距就是薄膜的禁帶寬度。由此可以得出：沉積時(shí)間為80、100、120及140 min所制備的薄膜，分別具有3.80、3.80、3.76及3.74 eV的禁帶寬度。即隨著沉積時(shí)間的增加，薄膜的禁帶寬度有下降趨勢(shì)，并接近3.7 eV的理論值。相對(duì)于理論值，薄膜的禁帶寬度均出現(xiàn)了藍(lán)移，這將有利于短波光子的透過(guò)，有利于CIGS薄膜太陽(yáng)電池效率的提高。

圖1 沉積時(shí)間對(duì)ZnS薄膜的光透過(guò)率的影響Fig.1 Dependence of the optical transmittance of ZnS films on deposition time

圖2給出了沉積薄膜的SEM形貌圖。從SEM形貌可以看出，沉積時(shí)間為80 min和100 min時(shí)，玻璃襯底上并沒(méi)有形成薄膜，只有ZnS顆粒；當(dāng)沉積時(shí)間增加到120 min時(shí)，ZnS薄膜逐漸形成。這是由于在沉積初期，屬于預(yù)沉積階段，薄膜的生長(zhǎng)還處于形核階段，當(dāng)沉積時(shí)間達(dá)到120 min以后，由于在襯底上的形核點(diǎn)增多，其不斷吸附新的[Zn(NH3)4]2+和SC(NH2)2粒子，因此其沉積速率大大提升，在襯底上形成連續(xù)ZnS薄膜。隨著時(shí)間的繼續(xù)增加，薄膜表面形貌并無(wú)明顯變化。經(jīng)3D輪廓儀測(cè)量，薄膜的粗糙度分別為3.67、6.19、5.85、8.62 nm，變化幅度不大。

圖2 不同沉積時(shí)間制備的ZnS薄膜SEM形貌圖Fig.2 SEM images of ZnS films prepared at different deposition times

2.2 ZnSO4濃度對(duì)薄膜性能的影響

圖3是在沉積時(shí)間120 min，SC(NH2)2和NH3·H2O的濃度分別為0.4 和4.0 mol/L時(shí)，不同ZnSO4濃度制備的ZnS薄膜的光透過(guò)率圖譜。由圖可以看出，在波長(zhǎng)大于450 nm的波段，薄膜的光學(xué)透過(guò)率都在70%以上。當(dāng)ZnSO4的濃度較低(0.015 mol/L)時(shí)，薄膜在大于450 nm波段的光學(xué)透過(guò)率為最低，這是因?yàn)閆n2+的濃度過(guò)低，導(dǎo)致Zn/S 的比值過(guò)小，以致薄膜過(guò)于疏松，使光在其表面散射。當(dāng)Zn2+濃度的增加到0.020 mol/L時(shí)，薄膜的透過(guò)率得到大幅度提升(平均提升幅度約為8%)，這說(shuō)明襯底上形成了連續(xù)的薄膜。而當(dāng)Zn2+的濃度進(jìn)一步提高時(shí)，薄膜的光透過(guò)率出現(xiàn)了部分下降，這是薄膜厚度增加的結(jié)果。

圖3 不同ZnSO4濃度制備的ZnS薄膜的光透過(guò)率圖譜Fig.3 Optical transmittance of ZnS films prepared at different ZnSO4 concentrations

圖4給出了上述工藝制備的 ZnS薄膜的SEM形貌。由圖可以看出，當(dāng)ZnSO4處于較低濃度時(shí)(0.015 mol/L)，ZnS呈顆粒狀，薄膜并不能覆蓋整個(gè)襯底，這是由于Zn源不足，使薄膜無(wú)法繼續(xù)生長(zhǎng)。隨著Zn2+濃度的增加，沉積的ZnS薄膜越來(lái)越致密，當(dāng)ZnSO4的濃度為0.03 mol/L時(shí)，薄膜在襯底上連續(xù)分布，完整地覆蓋襯底。表面上的白色顆粒為附著在薄膜表面的ZnS顆粒，可以通過(guò)去離子水沖洗去除。

圖4 不同ZnSO4濃度制備的ZnS薄膜的SEM形貌圖Fig.4 SEM images of ZnS films prepared at various ZnSO4 concentrations (a) 0.015 mol/L; (b) 0.020 mol/L; (c) 0.025 mol/L and (d) 0.030 mol/L

2.3 SC(NH2)2濃度對(duì)薄膜的影響

圖5給出了不同SC(NH2)2濃度制備的ZnS薄膜的光學(xué)透過(guò)率圖譜，其它制備參數(shù)如下：時(shí)間為120 min，ZnSO4和NH3·H2O的濃度分別為0.030和4.0 mol/L。由圖5可知，薄膜的光學(xué)透過(guò)率在波長(zhǎng)大于400 nm的波段范圍均大于70%。隨著SC(NH2)2濃度的增加，ZnS薄膜的光學(xué)透過(guò)率先增加再降低。當(dāng)SC(NH2)2濃度為0.3 mol/L時(shí)，薄膜的光透過(guò)率達(dá)到最大，平均值為81.7%。當(dāng)SC(NH2)2濃度繼續(xù)提高時(shí)，所產(chǎn)生的Zn(OH)2與ZnS大顆粒沉積在薄膜表面，導(dǎo)致薄膜的光學(xué)透過(guò)率反而下降。

圖6給出了不同SC(NH2)2濃度制備的ZnS薄膜的SEM形貌圖。從(a)圖可以看出，薄膜的顆粒較少，即薄膜沒(méi)有足夠的形核點(diǎn)。這是因?yàn)樵诘蜐舛鹊腟C(NH2)2情況下，由于S2-的濃度不足，導(dǎo)致其取代[Zn(NH3)4]2+鋅氨絡(luò)合鍵的能力下降，最終導(dǎo)致形核點(diǎn)數(shù)量不足，不能形成完整的薄膜。從(b)圖和(c)圖可以看出，隨著SC(NH2)2濃度的增加，ZnS薄膜的形核點(diǎn)增加，薄膜逐漸連續(xù)生長(zhǎng)，并在SC(NH2)2濃度為0.4 mol/L時(shí)，形成致密連續(xù)的ZnS薄膜。當(dāng)SC(NH2)2濃度達(dá)到0.5 mol/L時(shí)，溶液中S2-濃度增加，導(dǎo)致ZnS膠粒增多，最終導(dǎo)致薄膜表面的ZnS顆粒大量附著，不利于后續(xù)工藝的沉積。因此，結(jié)合薄膜的光透過(guò)率測(cè)試，為了提高薄膜的性能和質(zhì)量，應(yīng)避免選用過(guò)低或過(guò)高的SC(NH2)2濃度，在本研究中確定為0.4 mol/L較為合適。

圖5 不同SC(NH2)2濃度制備的ZnS薄膜光透過(guò)率圖譜Fig.5 Optical transmittance of ZnS films prepared at different SC(NH2)2 concentrations

2.4 氨水濃度對(duì)薄膜生長(zhǎng)的影響

NH3·H2O濃度對(duì)沉積薄膜的性能也有較大的影響，它不僅起著使SC(NH2)2水解、控制PH值的作用，它還是重要的絡(luò)合劑，其絡(luò)合作用有效地控制了反應(yīng)溶液中自由Zn2+的濃度，抑制了同質(zhì)反應(yīng)。圖7給出了樣品的光透過(guò)率比較，樣品的制備參數(shù)是：時(shí)間為120 min，ZnSO4濃度為0.030 mol/L，SC(NH2)2濃度為0.4 mol/L時(shí)。從光學(xué)透過(guò)率曲線可以看出，隨著NH3·H2O濃度的增大，在波長(zhǎng)小于400 nm的曲線出現(xiàn)了紅移，光透過(guò)率逐漸減小。在波長(zhǎng)大于400 nm的波段，光透過(guò)率先增大后減小，在濃度為4.0 mol/L時(shí)，光透過(guò)率性能達(dá)到最佳大，平均值為72.4%。當(dāng)NH3·H2O濃度過(guò)高時(shí)，薄膜的光透過(guò)率出現(xiàn)明顯下降。因此，從光透過(guò)率的角度看，在其他參數(shù)不變的情況下，NH3·H2O濃度應(yīng)為4.0 mol/L，這將有利于提升薄膜的性能。

圖8是薄膜的SEM形貌圖。當(dāng)NH3·H2O濃度為2.0 mol/L時(shí)，由于其濃度過(guò)低，導(dǎo)致其絡(luò)合Zn2+的能力下降，導(dǎo)致雜質(zhì)的產(chǎn)生加劇，生成了大量Zn(OH)2與ZnS膠粒，并附著在襯底上。同時(shí)由于OH-濃度低，導(dǎo)致SC(NH2)2水解降低，使S2-濃度不足，致使薄膜不連續(xù)。當(dāng)NH3·H2O濃度增加到3.0 mol/L時(shí)，雜質(zhì)的生成得到了抑制，并且薄膜表面出現(xiàn)更多形核點(diǎn)。隨著NH3·H2O濃度提高至4.0 mol/L，薄膜的致密度進(jìn)一步提高，在襯底上形成連續(xù)致密的ZnS薄膜，通過(guò)3D光學(xué)輪廓儀對(duì)其進(jìn)行表面粗糙度測(cè)試，沉積的ZnS薄膜的表面糙度小于10 nm，說(shuō)明薄膜表面均勻。然而，當(dāng)NH3·H2O濃度繼續(xù)增加至5.0 mol/L時(shí)，薄膜表面出現(xiàn)大量雜質(zhì)顆粒。這是因?yàn)殡S著OH-離子的濃度的提升，SC(NH2)2的水解得到加快，導(dǎo)致溶液中的S2-離子濃度偏高，溶液中產(chǎn)生大量ZnS膠粒所致。

圖7 NH3·H2O濃度對(duì)ZnS薄膜光透過(guò)率的影響Fig.7 Optical transmittance of ZnS films prepared at different NH3·H2Oconcentrations

圖8 不同NH3·H2O濃度條件下制備的ZnS薄膜的SEM形貌圖Fig.8 SEM images of ZnS films prepared at different NH3·H2O concentrations

為了了解ZnS薄膜與CdS薄膜之間的性能差異，實(shí)驗(yàn)中也通過(guò)化學(xué)水浴法制備了CdS薄膜，并與ZnS進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)：在同厚度的情況下，采用化學(xué)水浴法制備的ZnS薄膜無(wú)論在長(zhǎng)波波段還是短波波段的光透過(guò)率均要優(yōu)于CdS薄膜，其在短波波段的差異更為明顯。

2.5 ZnS薄膜的結(jié)構(gòu)特征

綜合上述ZnS薄膜的光學(xué)透過(guò)率與微觀形貌分析，在水浴溫度為80 ℃，磁轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為300 r/min，沉積時(shí)間為120 min，ZnSO4、SC(NH2)2、NH3·H2O的濃度分別為0.03、0.4和4.0 mol/L的優(yōu)化工藝條件下，可以制備出性能優(yōu)良的ZnS薄膜，滿足作為CIGS薄膜太陽(yáng)電池緩沖層的要求。以上述工藝條件，在本征拋光硅片上沉積ZnS薄膜，采用橢偏儀測(cè)量薄膜厚度，為60 nm，并對(duì)其進(jìn)行XRD分析，圖9是其分析結(jié)果。從圖9中看出：薄膜中除了ZnS相和Si相，并沒(méi)有其它雜相，位于29°衍射峰對(duì)應(yīng)于ZnS的(111)晶面。作為對(duì)比，我們同時(shí)對(duì)以玻璃為襯底所沉積的ZnS薄膜樣品也進(jìn)行了XRD測(cè)試，結(jié)果沒(méi)有發(fā)現(xiàn)圖譜中有衍射峰(文中沒(méi)有給出該圖譜)，這說(shuō)明薄膜的結(jié)晶性能不好。采用化學(xué)水浴法所制備的ZnS薄膜多為非晶態(tài)，這已經(jīng)被很多文獻(xiàn)所報(bào)道。

圖9 ZnS薄膜的XRD圖譜Fig.9 XRD pattern of ZnS thin film deposited on polished silicon wafer

沉積襯底對(duì)ZnS薄膜的生長(zhǎng)有較大的影響，為此，實(shí)驗(yàn)中分別研究了ZnS薄膜在玻璃、Si片、Mo片以及CIGS薄膜等襯底上的薄膜生長(zhǎng)情況。在Mo基體上沉積的ZnS顆粒依然為球形，并且薄膜表面非常平整均勻，薄膜的致密性非常高，薄膜表面只有少量的大顆粒雜質(zhì)。圖10給出的是在CIGS薄膜襯底上沉積ZnS薄膜的SEM形貌，圖中顯示：該ZnS薄膜的晶粒呈條狀生長(zhǎng)，這與其它襯底的生長(zhǎng)模式是不同的。沉積的ZnS薄膜均勻致密，完全覆蓋在CIGS表面上，可以有效的防止分流，說(shuō)明在此工藝下沉積的ZnS薄膜是作為CIGS薄膜太陽(yáng)電池緩沖層的良好材料。

圖10 CIGS上沉積的ZnS薄膜的形貌圖Fig.10 SEM image of the surface of ZnS thin film deposited on CIGS layer

3 結(jié) 論

采用化學(xué)水浴法制備了ZnS薄膜，其生長(zhǎng)方式、結(jié)構(gòu)及性能與沉積時(shí)間、反應(yīng)物濃度以及沉積襯底等工藝參數(shù)密切相關(guān)。

1) 隨著沉積時(shí)間的增加，ZnS 薄膜的厚度不斷增大，但其增長(zhǎng)速率為先增大后減?。槐∧さ拇植诙葧?huì)先增大后減小，然后再增大，但所制備的薄膜的粗糙度均較低，符合CIGS薄膜太陽(yáng)電池的要求。

2) 隨著反應(yīng)物濃度的提高，薄膜光透過(guò)率先增加后降低；由不同濃度制備的ZnS 薄膜的光學(xué)禁帶寬度為3.7～3.8 eV，比理論值略高，有利于短波光子進(jìn)入CIGS吸收層。

3) 通過(guò)對(duì)工藝參數(shù)的優(yōu)化，結(jié)合薄膜光學(xué)透過(guò)率和SEM形貌分析，得到了制備ZnS薄膜的優(yōu)化工藝參數(shù)，ZnS薄膜為單相結(jié)構(gòu)，在450～900 nm波長(zhǎng)范圍具有高于70%的光學(xué)透過(guò)率。采用上述參數(shù)，在CIGS上沉積的ZnS薄膜，具有均勻致密的結(jié)構(gòu)，可以完整覆蓋CIGS表面，滿足制備CIGS薄膜太陽(yáng)電池的要求。

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The structure and properties of ZnS films prepared by chemical bath deposition

LIZhong1,HUANGSaihao2,HONGRuijiang2

(1. College of Physics and Electronic Information Engineering, Qinghai Nationalities University, Xining 810007, China; 2. School of Physics∥Guangdong Provincial Key Laboratory of Photovoltaic Technology, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510006, China)

ZnS thin buffer layers were prepared by chemical bath deposition (CBD) process. The structures and optical properties of the films were studied systematically based on the chemical reaction principle. The results demonstrated that the thickness of ZnS film increased with the increase of deposition time, while the optical transmittance and the band gap decreased. The minimumEgwas determined to be 3.74 eV. The surface roughness of the as-deposited films remained a low level, of which value remained between 6～9 nm. As the concentration of the reactant increased, the optical transmittance increased first and then decreased. When the concentration of the reactants were too high or too low, the deposition reaction shifted to homogeneous reactions and impurities emerged on the surface of the films, resulting in inhomogeneous films. The optimized concentrations of ZnSO4, SC(NH2)2and NH3·H2O were 0.03, 0.4, 4.0 mol/L, respectively. The single-phased ZnS films were homogeneous and compact with the optical transmittance over 70% at the wavelength of 450～900 nm.

ZnS; chemical bath deposition (CBD); CIGS; thin film solar cell; buffer layer

10.13471/j.cnki.acta.snus.2017.03.012

2017-03-06 基金項(xiàng)目：青海省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014-ZJ-725)；廣東省教育廳資助項(xiàng)目(2013CXZDA002)

李仲( 1964年生) ，女; 研究方向: 材料物理；E-mail:m13709736484@163.com

洪瑞江(1966年生)，男，教授；研究方向：薄膜材料與光伏技術(shù)；E-mail:hongruij@mail.sysu.edu.cn

TM

A

0529-6579(2017)03-0078-07