濺射制備CdS薄膜及其在CdTe電池中的應用

高文敏，武莉莉，曾廣根，王文武，李　衛，張靜全，黎　兵，馮良桓

(四川大學 材料科學與工程學院，成都 610064)

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濺射制備CdS薄膜及其在CdTe電池中的應用

高文敏，武莉莉，曾廣根，王文武，李衛，張靜全，黎兵，馮良桓

(四川大學 材料科學與工程學院，成都 610064)

摘要：采用射頻磁控濺射方法分別在石英玻璃和TCO玻璃上制備了不同厚度的CdS薄膜，研究了CdS薄膜厚度對薄膜結構和光學性質的影響。在不同厚度的CdS/TCO襯底上， 進一步制備成CdTe薄膜太陽電池。結果表明，CdS薄膜厚度的增加有利于薄膜的生長與結晶；110 nm的薄膜具有禁帶寬度為2.41 eV的最大值；測試電池性能，得到CdS厚度為110 nm的電池具有11.42%的最高轉換效率。

關鍵詞：磁控濺射；CdS薄膜；CdS/CdTe電池

0引言

由于CdTe 電池具有較高的光電轉換效率，較低的生產成本及較長的使用壽命，使得其成為目前發展最快、也最具潛力的薄膜太陽電池之一。目前正式報道的CdTe電池的最高轉換效率為20.4%[1]。而目前被認為最適合做CdTe電池窗口層材料的CdS也因此受到廣泛關注及研究[2]。作為Ⅱ-Ⅵ族化合物的CdS帶寬為2.42 eV的直接帶隙半導體，具有立方相及六方相結構。

目前，除了最常用的化學水浴法(CBD)[3]外，近空間升華法(CSS)[4]、電沉積法[5]、MOCVD[6]、濺射法[7]等都可以制備CdS薄膜。雖然CBD法具有工藝簡單、成本低等優點，但其始終存在復雜的廢液回收問題。磁控濺射法由于工藝簡單、重復性高和成本低廉等優點，成為目前干法工藝的首選，因而近年來屢為國內外研究者所選用。

有報道[8]稱，對于CdTe太陽電池而言，當作為窗口層的CdS厚度<100 nm時可以明顯提高短波響應，改善電池性能。但是減薄的CdS層會出現針狀微孔，造成CdTe通過CdS微孔與透明導電膜直接接觸，使得p-n結局部產生短路，嚴重影響電池的短路電流和填充因子。本文先在石英玻璃襯底上研究了不同厚度CdS薄膜的基本結構和光學性質，然后將其應用于CdTe薄膜太陽電池，研究了CdS薄膜厚度對CdTe太陽電池器件性能的影響。

1實驗

磁控濺射CdS薄膜采用直徑為63.7 mm，厚度為3 mm的圓形CdS陶瓷靶，濺射功率維持在80 W，氣壓保持在1 Pa不變，濺射氣氛為純Ar，襯底溫度為室溫。通過沉積時間的長短來改變薄膜的厚度。

膜厚的測定采用美國Ambios Technology Inc.的Ambios Technology XP-2探針式臺階儀；光學透過率由PerkinElmer Lambda 650紫外-可見分光光度計測得，測量范圍為320～2 500 nm，掃描步長為1 nm；薄膜結構采用丹東射線集團有限公司的DX-2600型X射線衍射儀分析確定，掃描范圍(2θ)10～70°，掃描速度0.05°/s，使用Cu靶Kα線，波長為0.154184 nm；CdS/CdTe電池的光學I-V特性測試采用西安交通大學太陽能研究所生產的長弧氙燈太陽電池測試儀測量，光強經電子工業部205計量站標定的標準電池校準為100 mW/cm2。

2結果與討論

圖1為沉積在石英襯底上的不同厚度的CdS薄膜的XRD圖譜。由圖1可知，不同薄膜厚度的樣品均在2θ=26.4°位置出現立方相CdS(111)方向的衍射峰，85 nm的CdS薄膜主要是非晶相，(111)峰的強度很弱。CdS薄膜的厚度增加到110 nm后，(111)峰明顯增強，平均晶粒尺寸約為23 nm，為多晶薄膜。厚度為165及280 nm的樣品衍射峰強度相當，遠大于厚度為110 nm的衍射峰強度，平均晶粒尺寸分別為42和44 nm。這表明隨著薄膜厚度的增加，CdS薄膜晶粒明顯長大，但薄膜增厚到165 nm后，晶粒長大趨勢變緩。

樣品在320～2 500 nm范圍內的透過率如圖2(a)所示。根據禁帶寬度Eg、吸收系數α及光子能量hv之間的關系

(ahv)2=A0(hv-Eg)

其中，A0為一常數[9]，得到各樣品的禁帶寬度值如圖2(b)所示。結果表明，隨著沉積時間的延長，禁帶寬度Eg先增后降。厚度為110 nm的樣品的禁帶寬度為2.41 eV，是最大值。

圖1　不同薄膜厚度樣品的XRD圖譜

圖2不同薄膜厚度樣品的透過圖譜及禁帶變化

Fig 2 Transmittance and band gap of samples with different thickness

根據前面的研究結果，采用磁控濺射方法在SnO2∶F玻璃上制備了85～280 nm厚的CdS薄膜，并繼續沉積CdTe、ZnTe∶Cu和Au薄膜，制作成太陽電池。測量了這些太陽電池的光、暗I-V特性和光譜響應。

4種CdS厚度的太陽電池的光I-V特性參數如表1所示。可以看出，除了C-1的開路電壓較小外，其余電池的Voc大致相當。C-3具有最大的短路電流密度23.61 mA/cm2。C-4的Jsc最小，這是因為太厚的CdS薄膜不利于增強電池在短波段的響應，不能獲得更多的光束載流子來提高其短路電流。此外填充因子及轉換效率均隨CdS薄膜厚度的增加呈現先增后減的趨勢，C-2具有68.47%的最大填充因子和11.42%的最高轉換效率。

圖3給出了不同太陽電池的光譜響應曲線。可以看出，器件對300～500 nm短波段光譜響應度隨厚度的增加而明顯減小，這是因為CdS層厚度的降低有利于減少因CdS吸收而損失的那部分光子能量，從而提高被CdTe吸收的光子能量。在500～800 nm波段，CdS厚度為110 nm的電池C-2的光譜響應最高，280 nm的C-4最低,這與光I-V的測試結果一致。85 nm厚的CdTe電池對500～800 nm波段光譜響應度低的原因可能是由于CdS太薄而不能完全覆蓋導電玻璃表面，使CdTe與導電玻璃直接相接，形成了漏電通道，導致這個波段的載流子收集率降低，進而引起器件光響應度降低。

表1　CdS/CdTe電池的性能

圖3　CdTe電池的光譜響應曲線

對于CdS厚度為280 nm的C-4在500～800 nm波段對光子吸收率的降低：(1) 因為CdS太厚減小了光的透過率，可吸收光子數目減小；(2) 厚度的大幅增大同時也大大增加了薄膜中的缺陷濃度，缺陷濃度的增大可導致光生載流子的壽命和擴散長度減小，從而使得光子吸收率降低。因此，在保證CdS多晶薄膜對導電玻璃完全覆蓋的情況下，減薄CdS厚度有利于提高CdTe太陽電池的光生電流，而優化CdTe電池的性能。

本文采用Agilent公司的4155C 半導體特性測試儀在室溫下測量電池的暗I-V曲線，電壓為-1.5～1.5 V。二極管的電流電壓方程[9]可以表示為

(1)

式中，k為波爾茲曼常數，為1.38×10-23J/K，q為電子電量，為1.6×10-19C。室溫時T=300 K，而在V>0時

則式(1)變為

(2)

將其兩端取對數有

(3)

由圖4可見，室溫下4組CdTe太陽電池均具有良好的整流特性，反向電流明顯飽和，由表2的計算結果來看，CdS薄膜厚度由85～165 nm時，CdTe電池的暗飽和電流密度逐漸減小，通過對CdS薄膜結構特性的分析可知，在相同沉積條件下，膜厚較大的薄膜結晶性能更好，這樣有利于降低晶粒間界復合的情況從而減小了暗電流。

圖4　CdTe薄膜太陽電池的暗J-V曲線

Table 2 The dark characteristics of the CdTe solar cells

NoThicknessofCdS/nmAJ0/mA·cm-2C-1852.363.07×10-9C-21102.324.28×10-10C-31651.754.11×10-10C-42803.216.05×10-9

但當CdS厚度增大至280 nm時，卻得到了四者中最大的二極管因子和暗飽和電流密度，這是因為CdS薄膜太厚，會影響其與CdTe形成的p-n結的內建電場的分布，從而使得結特性變差的緣故。這與前面電池的光I-V特性的結果是一致的。所以在沒有高阻過渡層的情況下，CdS薄膜的厚度在100～160 nm之間為宜。

3結論

在室溫下采用磁控濺射方法制備不同厚度的CdS薄膜，并用于CdS/CdTe電池的制備。測試其各項性能得出：CdS多晶薄膜的厚度對電池的性能有較大影響。厚度為280，165，110及85 nm的CdS薄膜應用于器件中，其轉換效率分別為9.67%，10.5%，11.42%和8%。CdS薄膜厚度由85～165 nm時，CdTe電池的暗飽和電流密度逐漸減小。綜合電池的各項性能參數可知，適度減薄CdS窗口層的厚度有利于光子被CdTe吸收。但太薄又會影響結特性，降低電池性能，因此，其厚度為100～160 nm較合適。

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[9]劉恩科，朱秉生，羅晉生. 半導體物理學[M]．(第7版) 北京: 電子工業出版社，2008.

The prepartion of sputtered CdS film and its application in CdTe solar cell

GAO Wenmin, WU Lili, ZENG Guanggen, WANG Wenwu, LI Wei,ZHANG Jingquan, LI Bing, FENG Lianghuan

(College of Materials Sciences and Engineering, Sichuan University, Chengdu 610064, China)

Abstract:CdS thin films with different thickness were deposited on fased sillican and TCO glass using radio frequency magnetron sputtering method. The influence of thickness on the structural and optical properties was studied. CdS films with different thickness were used to prepare CdTe solar cells. The results show that increasing thickness of the film is beneficial to its crystallization. The energy band gap of the film with the thickness 110 nm shows the maximum value of 2.41 eV. As for CdS/CdTe solar cells, the maximum transfer efficiency reached 11.42% with the thickness 110 nm.

Key words:magnetron sputtering; CdS films; CdS/CdTe solar cell

DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.03.009

文獻標識碼：A

中圖分類號：TB332

作者簡介：高文敏(1991-)，女，四川瀘州人，在讀碩士，師承武莉莉教授，主要從事材料物理與化學研究。

基金項目：國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)資助項目(2011CBA00708)

文章編號：1001-9731(2016)03-03047-04

收到初稿日期：2015-02-08 收到修改稿日期：2015-06-26 通訊作者：武莉莉，E-mail: wulily77@163.com