干濕法腐蝕工藝條件下CdTe薄膜光譜研究

宋慧瑾,鄢 強(qiáng)

(1.成都大學(xué)工業(yè)制造學(xué)院,四川成都 610106;2.成都金倍科技有限公司,四川成都 610041)

0 引 言

CdTe太陽能電池以其高效、低成本、便于大規(guī)模生產(chǎn)而成為當(dāng)今最具發(fā)展前景的薄膜太陽能電池之一.近年來,科研人員對CdTe太陽能電池的研究取得了引人注目的進(jìn)展,其中一項(xiàng)主要的研究工作就是改進(jìn)電池的背接觸[1-2].分析認(rèn)為,對CdTe薄膜進(jìn)行后處理是制備高效率CdTe太陽能電池的關(guān)鍵步驟,退火后的CdTe薄膜表面會形成厚約幾十埃的氧化層,它影響CdTe與背接層的接觸效果,使電池效率降低.對此,則需要通過腐蝕工藝去掉這層氧化層才能進(jìn)行電池的下一步制作環(huán)節(jié).傳統(tǒng)的CdTe薄膜氧化層腐蝕工藝通常是采用濕法化學(xué)刻蝕技術(shù),腐蝕液有溴甲醇(BM)、HNO3-H3PO4(NP)和K2CrO7-H2SO4(K D)等[3-8].雖然BM和 K D腐蝕可以在CdTe薄膜表面形成富 Te層,但 K D腐蝕后的CdTe薄膜表面會形成TeO2層,將阻礙低電阻的背接觸形成[6];NP腐蝕為一種擇優(yōu)腐蝕[3-5],其腐蝕進(jìn)程控制較為困難.因此,從工業(yè)化生產(chǎn)考慮,宜選用干法刻蝕技術(shù).據(jù)此,本研究利用等離子束濺射轟擊這種干法刻蝕技術(shù)來對CdTe薄膜進(jìn)行后處理,并與成熟的濕法化學(xué)刻蝕工藝進(jìn)行對比研究,以期對CdTe薄膜太陽電池的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程起到一定的推進(jìn)作用.

1 實(shí) 驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室自制的近空間升華系統(tǒng)(CSS)沉積完CdTe薄膜后,在CdCl2的氛圍下,進(jìn)行大約20 min 400℃熱處理,以進(jìn)一步增大晶粒尺寸.

經(jīng)過退火后的樣品采用下述方法處理:(1)采用等離子束濺射轟擊對樣品表面進(jìn)行刻蝕,其刻蝕的不同轟擊參數(shù)如表1所示;(2)采用溴甲醇對樣品表面進(jìn)行腐蝕,溴甲醇中,Br2(99.5%)與CH3OH的體積比為2∶1000,腐蝕時間為10 s,腐蝕完后,用甲醇沖洗,然后用氮?dú)獯蹈?

表1 等離子體刻蝕CdTe薄膜中不同的轟擊參數(shù)

處理后的樣品采用Y-4Q型自動X射線衍射儀(丹東射線儀器集團(tuán)公司)進(jìn)行XRD測試,其掃描范圍10°～90°,掃描速度0.06°/s,使用Cu靶Kα線,波長0.154184 nm;采用 XSAM800型光電子能譜儀(Krator Inc.)對樣品進(jìn)行測量,系統(tǒng)真空度為5× 10-9T orr,檢測用MgKα1輻射為光電子激發(fā)源(能量為1 253.6 eV),校準(zhǔn)用C1s峰(284.8 eV).

2 結(jié)果及討論

2.1 樣品的AES分析

為研究等離子體刻蝕處理對CdTe薄膜性能的影響,需要了解薄膜樣品內(nèi)元素的分布情況.對此,本研究首先對退火處理后的CdTe薄膜樣品做了XPS濺射剖析和俄歇濺射剖析.隨濺射時間的增加樣品內(nèi)元素百分含量的變化如圖1所示.

圖1 樣品內(nèi)各元素百分含量隨濺射時間的分布

由圖1可以看出,CdTe薄膜樣品表面在未濺射時O含量較高,說明存在氧化層,隨濺射時間的增加,樣品表面O含量大幅降低,Te含量增加,說明氧化層已被濺射掉了.

2.2 樣品的XRD分析

采用等離子體刻蝕和溴甲醇腐蝕處理后CdTe薄膜樣品表面的XRD圖譜如圖2所示.

圖2 不同方法腐蝕處理后樣品的XRD圖譜

由圖2可以看出,CdTe薄膜呈立方相,沿(111)方向有明顯的擇優(yōu)取向,同時伴隨有較低強(qiáng)度的(220)和(311)、(400)、(331)衍射峰.由于CdTe晶粒在(111)面的表面能密度最低,在生長過程中該晶面不斷長大,其他晶面的生長受到抑制,從而使得薄膜在該方向上呈現(xiàn)很強(qiáng)的擇優(yōu)生長.此外,由圖2還可以看出,2種腐蝕方法處理后樣品主要的衍射峰位沒有變化,說明薄膜結(jié)晶形態(tài)沒有變化,而等離子體刻蝕后的衍射峰稍弱,此可能是由于濺射轟擊后樣品膜厚變薄所致.

2.3 樣品的XPS分析

采用等離子體刻蝕和溴甲醇腐蝕處理后的CdTe薄膜樣品的XPS全譜對比圖如圖3所示.

圖3 不同方法腐蝕處理后樣品的全譜對比圖

從圖3中可以看出,采用2種腐蝕方法處理后的CdTe薄膜均存在Cd、Te、Cl、C、O 5種元素,其中, C來源于樣品表面吸附,Cl來源于退火處理過程中加入的CdCl2.

2種腐蝕方法處理后的CdTe薄膜樣品的元素百分含量對比如表2所示.

表2 2種方法腐蝕處理后樣品元素百分含量對比

由表2可看出,等離子體刻蝕與溴甲醇腐蝕一樣,都可以去除CdTe薄膜表面的氧化層.不同的是,溴甲醇腐蝕后CdTe薄膜表面的Te含量比等離子體刻蝕后的多,可能是因?yàn)橥嘶鸷蟮腃dTe薄膜表面有一層富Te層,經(jīng)等離子轟擊后在去掉表面氧化層的同時也將Te層去掉了,導(dǎo)致等離子體刻蝕處理后的CdTe薄膜樣品中Te元素含量比溴甲醇腐蝕的少.

2.4 樣品的表面形貌

用掃描電鏡觀察2種腐蝕處理方法的CdTe薄膜樣品的表面形貌,結(jié)果如圖4所示.

在圖4中,圖4(a)為未腐蝕處理CdTe薄膜的表面形貌,圖4(b)為等離子體刻蝕處理后CdTe薄膜的表面形貌,圖4(c)為溴甲醇腐蝕處理后CdTe薄膜的表面形貌.對比分析可以看出,未經(jīng)腐蝕處理的CdTe薄膜樣品的表面形貌最粗糙,等離子體刻蝕比溴甲醇腐蝕處理的CdTe薄膜樣品表面晶粒更致密、更均勻,這是由于溴甲醇腐蝕具有選擇性.溴甲醇腐蝕后的CdTe薄膜樣品表面晶粒間隙較大,排列不均勻,此表明從表面形貌來看,等離子體刻蝕可以改善表面的微粗糙度,提高晶粒的均勻性,增強(qiáng)CdTe薄膜的附著力.

圖4 樣品的表面形貌

3 結(jié) 語

對CdTe薄膜濺射表面進(jìn)行光譜分析表明:采用等離子束濺射轟擊可以徹底清除薄膜表面的氧化層;等離子束濺射轟擊會使CdTe薄膜厚度變薄,但對薄膜的結(jié)晶形態(tài)不產(chǎn)生改變,和溴甲醇腐蝕相比差別不大;采用等離子體刻蝕處理后的CdTe薄膜顆粒更為均勻致密,改善了薄膜表面的粗糙度,增強(qiáng)了薄膜的附著力,進(jìn)而提高了CdTe薄膜的性能.

[1]Wu X,Keane J C,Dhere R G,et al.16.5%Efficiency CdS/ CdTe Polycrystalline Thin Film Solar Cells[C]//17th European Photovoltaic Solar Energy Conference.Munich,Germany:IHT Press,2001.

[2]Kraft D,Thissen A,Broetz J,et al.Characterization of Tellurium Layers for Back Contact Formation on Close to Technology Treated CdTe Surfaces[J].Journal of Applied Physics,2003,94(5): 3589-3598.

[4]Li Xiaonan,Niles D W,Hasoon F S,et al.Effect of Nitric-phosphoric Acid Etches on Material Properties and Back-contact Formation of CdTe-based Solar Cells[J].Journal of Vacuum Science and Technology(A),1999,17(3):805-809.

[5]Batzner D L,Romeo A,Z ogg H,et al.Development of Efficient and Stable Back Contacts on CdTe/CdS Solar Cells[J].Thin Solid Films,2001,387(1-2):151-154.

[6]Danaher WJ,LyonsL E,Marychurch M,et al.Chemical Etching of Crystal and Thin Film Cadmium Telluride[J].Applied Surface Science,1986,27(3):338-354.

[7]郝瑞英,李衛(wèi),鄭家貴,等.硝磷酸腐蝕的CdTe太陽電池性能[J].功能材料與器件學(xué)報,2007,13(2):107-112.

[8]Li W,Feng L H,Zhang J Q,et al.Studies of Key Technologies for CdTe Solar Modules[J].Science in China(Series E:Technological Sciences),2008,51(1):33-39.