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CdS纳米薄膜的水浴法制备与表征

CdS纳米薄膜的水浴法制备与表征-真空电子技术

王建波,娄朝刚,张晓兵,雷威

(东南大学电子工程系,江苏南京210096)

CdS膜(80 nm左右)

纤锌矿结构

直接带隙材料

带隙为2142 eV,

作为n型半导体

化学水浴法制备的CdS薄膜保证其完整和致密。

玻璃片(15mm@25 mm@0155 mm)依次在稀硫酸溶液、丙酮、乙醇和去离子水中超声清洗10 min。

为分析纯试剂,采用二次去离子水配制,

[CdSO4]=0.01mol,[(NH2)2CS]=0.1 mol, [NH3H2O]=1 mol。

沉积时水浴温度控制在60 C,溶液的pH值在8~9之间,沉积时间15 min。

CdS膜的生成原理及化学

反应过程可描述为:

(1)在碱性水溶液中,若Cd2+,OH-浓度超过Cd(OH)2的溶解度时,则有Cd(OH)2析出;

(2)在氨水环境下,水解的Cd(OH)2又形成络合离子Cd(NH3)2+4;

(3)氨是一个络合取代基,硫脲(NH2)2CS提供S2 -,所以当Cd2+和S2 -的产率超过CdS的溶解度时,就有CdS形成

总的化学反应方程式为:

Cd(NH3)2+4+S=C(NH2)2+2OH-yCdS|+CH2N2+4NH3{+2H2O

浓度高的溶液(a)中沉积的颗粒更密,薄膜的厚度也就更大(达到微米级),不适合做太阳能电池,因此溶液浓度应控制在(b)的数值附近。从(c)图中可以看到尽管降低了溶液浓度,但是沉积的CdS晶粒太大,且容易产生CdS沉淀(粉末),导致薄膜的均匀性差。这可能是溶液中反应速率过快引起的,为了控制反应速率作者考虑滴定的方法。将硫脲和氨水溶液用滴定管滴加,硫脲每提供一个S原子,马上在溶液中生成一个CdS分子,在合适的温度和搅拌下,还没有凝结成分子团就被沉积在玻璃表面上。因为CdS不溶于碱,pH值太高也会加快CdS沉淀析出,所以滴加氨水溶液有利于控制反应溶液的pH值始终保持在8~9之间。滴加硫脲溶液和氨水溶液的时候应该要注意,如果滴加速率过快,还会生成大的CdS颗粒和沉淀,最好让硫脲溶液和氨水溶液滴加多少就反应多少,另外滴加的速率还和搅拌器的搅拌速率有关。

化学沉积制备CdS薄膜的过程中,总伴随着两个机制,即发生在溶液中的同质沉积和发生在衬底上的异质沉积。异质沉积又包括两种过程:

一种是在衬底上吸附CdS颗粒的过程称为簇簇机制(cluster by cluster),导致薄膜的形貌粗糙、疏松。另一种称为离子离子机制(ion by ion),导致CdS薄膜的致密、平整[6]。改进的通过滴定并搅拌的方法就是为了抑止同质沉积和簇簇机制,促进离子离子机制来得到质量较好的薄膜。

CdS纳米薄膜的水浴法制备与表征

富镉性决定的n型半导体性质及其长波长高透过率的光学性质,使

它成为CIGS太阳能电池窗口层和过渡层的理想材料。