用超声喷雾热解淀积系统合成CdTe薄膜及特性分析

来源：SEMI发布时间：2012-12-16 23:59:59

索比光伏网讯:作者：K.C.Mohite, S.D.Gunjal, R.R.Udawant，University of Pune, India；J.V.Sali，North Maharashtra University, India

碲化镉（CdTe）是具有闪锌矿（立方）晶体结构的Ⅱ-Ⅵ族半导体化合物。以体结晶形式时，它是具有直接带隙=1.45eV的理想半导体，对太阳能的转换非常有用。这在原理上使CdTe是薄膜太阳能电池应用的最好材料。根据CdTe的物理、化学、光学及电子学性质，它被认为是优良的光吸收半导体材料。它常常是把硫化镉夹在中间形成太阳能电池的p-n结。即使效率较低（16.5%），但CdTe薄膜提供了比硅节省成本的太阳能电池设计。CdTe能与水银合金做成多功能红外探测材料（HgCdTe）。与少量锌合金的CdTe 制造性能极佳的固态X-射线和伽马射线探测器（CdZnTe）。用于IR的CdTe早期形式出现在市场时的商标名为Irtran-6。它也应用于光电调制器。

本文尝试用超声喷雾热解技术合成纯的单相CdTe薄膜。用各种不同的特性测定技术（即XRD、FTIR频谱法、紫外-可见光谱和扫描电子显微镜）确定CdTe薄膜的特性。结果表明，碲化镉（CdTe）是太阳能电池和其他应用极有前途的材料。

碲化镉的光学和电子学性质使其成为许多光电器件最有希望的材料之一。CdTe是具有闪锌矿（立方）晶体结构和直接带隙=1.45eV的Ⅱ-Ⅵ族理想半导体，这使其成为用于太阳能电池制造的理想材料。目前，为了寻找规模生产太阳能电池（它不要求高质量单晶）更廉价的技术，该材料正受到重新增强的关注。为了获得太阳能电池的高转换效率，CdTe制造的淀积方法及制备条件非常重要。有若干种薄膜淀积技术用来得到PV质量的p-CdTe薄膜，即电淀积、闭空间升华法（CSS）、喷雾热解、物理气相淀积、真空蒸发、气相输运沉积、闭空间蒸汽输运、丝网印刷、MOCVD和射频溅射，这种具有n型CdS窗口层的 p-CdTe薄膜已做出转换效率达16%的太阳能电池。薄膜太阳能电池制造中的一个关键步骤是淀积有可控成分和化学配比的CdTe层。业已了解，高效率太阳能电池拥有富-Te CdTe表面及平滑的p-CdTe/n-CdS界面。化学喷雾热解可能是最适合此目的的技术之一。此技术的一个巨大优点是，薄膜的性质能很容易通过变化淀积条件而改变。对于淀积氧化物、二元和三元硫属化合物的薄多晶薄膜以及超导氧化薄膜，这是一个低设备成本技术。超声喷雾热解技术也用于合成纯的掺铂纳米结构CdSnO3薄膜。

本文关注的是用超声喷雾热解技术合成化学配比p-CdTe薄膜并测定其特性。研究不同的周围条件（如溶液的PH值、溶液量、衬底温度及溶液浓度等）对光电子化学、结构、微结构、组分和光学性质的影响，采用的特性测定技术有XRD、FTIR谱、紫外-可见光谱和扫描电子显微镜。

实验
图1是安装在NMUJ实验室中的超声喷雾热解系统的照片。此系统的主要部件是超声喷雾喷嘴（#120-2-16-09-000-030 THD，Sono-tek Corporation，工作在120kHz）、超声宽带发生器、注射泵（Akash Syru Pump 404），加热器和温度指示器。

喷雾溶液用CdCl2和TeO2前驱物溶解在双蒸水(DDW)和氨水液的1:1混合液中。水合阱用作还原剂，加HCl使溶液的PH值维持在11.5。薄膜淀积前，康宁玻璃(7059)衬底用如下处理方法彻底清洗：(1)用皂液洗，(2)用DDW冲洗，然后用丙酮超声冲洗10分钟，(3)在异丙醇中浸5分钟，最后(4)将其干燥。基于Cd-Te的薄膜用超声喷雾热解系统淀积在康宁玻璃衬底上，工艺参数如下：(a)喷雾喷嘴-衬底的距离=12cm，(b)喷雾溶液浓度=0.02M，(c)载运氮气流速=15lpm，(d)衬底温度=300℃，(e)淀积时间=6min，(f)喷雾溶液量=3ml，(g)溶液流速30ml/hr。薄膜自然冷却到室温(RT)。用不同的物理方法测定所得薄膜的特性：(1)X射线衍射(XRD) (Bruker D8 Advance，λ=1.5406?)，(2)紫外-可见光谱（JASCO Modle:V670），(3)能量色散X射线(EDAX)分析，(4)扫描电子显微镜（SEM，Leica Steroscan 440）。紫外-可见光谱用于评估光学性质：所得薄膜的吸光率(α)、辐射率(ε)及能带隙(Eg) 。

结果与讨论
XRD图形在图2(a)显示CdTe的主要强峰。(hkl)面(111)、(220)、(311)、(400)、(331)和(422)显示CdTe的立方相（PCPDF file 15-0770）。形成的一些CdTeO3的氧化物峰也在图中示出。图中，CdTe峰以(*)标出，CdTeO3峰以(#)标出。氧化物浓度比CdTe低得多。这表明，用N2作为载运气体形成单相CdTe薄膜。图2(b)是 CdTe薄膜的紫外-可见光谱。用方程(1)得到吸光率(α)的值。