高文敏，武莉莉，曾广根，王文武，李　卫，张静全，黎　兵，冯良桓

(四川大学 材料科学与工程学院，成都 610064)



溅射制备CdS薄膜及其在CdTe电池中的应用

高文敏，武莉莉，曾广根，王文武，李卫，张静全，黎兵，冯良桓

(四川大学 材料科学与工程学院，成都 610064)

摘要：采用射频磁控溅射方法分别在石英玻璃和TCO玻璃上制备了不同厚度的CdS薄膜，研究了CdS薄膜厚度对薄膜结构和光学性质的影响。在不同厚度的CdS/TCO衬底上， 进一步制备成CdTe薄膜太阳电池。结果表明，CdS薄膜厚度的增加有利于薄膜的生长与结晶；110 nm的薄膜具有禁带宽度为2.41 eV的最大值；测试电池性能，得到CdS厚度为110 nm的电池具有11.42%的最高转换效率。

关键词：磁控溅射；CdS薄膜；CdS/CdTe电池

0引言

由于CdTe 电池具有较高的光电转换效率，较低的生产成本及较长的使用寿命，使得其成为目前发展最快、也最具潜力的薄膜太阳电池之一。目前正式报道的CdTe电池的最高转换效率为20.4%[1]。而目前被认为最适合做CdTe电池窗口层材料的CdS也因此受到广泛关注及研究[2]。作为Ⅱ-Ⅵ族化合物的CdS带宽为2.42 eV的直接带隙半导体，具有立方相及六方相结构。

目前，除了最常用的化学水浴法(CBD)[3]外，近空间升华法(CSS)[4]、电沉积法[5]、MOCVD[6]、溅射法[7]等都可以制备CdS薄膜。虽然CBD法具有工艺简单、成本低等优点，但其始终存在复杂的废液回收问题。磁控溅射法由于工艺简单、重复性高和成本低廉等优点，成为目前干法工艺的首选，因而近年来屡为国内外研究者所选用。

有报道[8]称，对于CdTe太阳电池而言，当作为窗口层的CdS厚度<100 nm时可以明显提高短波响应，改善电池性能。但是减薄的CdS层会出现针状微孔，造成CdTe通过CdS微孔与透明导电膜直接接触，使得p-n结局部产生短路，严重影响电池的短路电流和填充因子。本文先在石英玻璃衬底上研究了不同厚度CdS薄膜的基本结构和光学性质，然后将其应用于CdTe薄膜太阳电池，研究了CdS薄膜厚度对CdTe太阳电池器件性能的影响。

1实验

磁控溅射CdS薄膜采用直径为63.7 mm，厚度为3 mm的圆形CdS陶瓷靶，溅射功率维持在80 W，气压保持在1 Pa不变，溅射气氛为纯Ar，衬底温度为室温。通过沉积时间的长短来改变薄膜的厚度。

膜厚的测定采用美国Ambios Technology Inc.的Ambios Technology XP-2探针式台阶仪；光学透过率由PerkinElmer Lambda 650紫外-可见分光光度计测得，测量范围为320～2 500 nm，扫描步长为1 nm；薄膜结构采用丹东射线集团有限公司的DX-2600型X射线衍射仪分析确定，扫描范围(2θ)10～70°，扫描速度0.05°/s，使用Cu靶Kα线，波长为0.154184 nm；CdS/CdTe电池的光学I-V特性测试采用西安交通大学太阳能研究所生产的长弧氙灯太阳电池测试仪测量，光强经电子工业部205计量站标定的标准电池校准为100 mW/cm2。

2结果与讨论

图1为沉积在石英衬底上的不同厚度的CdS薄膜的XRD图谱。由图1可知，不同薄膜厚度的样品均在2θ=26.4°位置出现立方相CdS(111)方向的衍射峰，85 nm的CdS薄膜主要是非晶相，(111)峰的强度很弱。CdS薄膜的厚度增加到110 nm后，(111)峰明显增强，平均晶粒尺寸约为23 nm，为多晶薄膜。厚度为165及280 nm的样品衍射峰强度相当，远大于厚度为110 nm的衍射峰强度，平均晶粒尺寸分别为42和44 nm。这表明随着薄膜厚度的增加，CdS薄膜晶粒明显长大，但薄膜增厚到165 nm后，晶粒长大趋势变缓。

样品在320～2 500 nm范围内的透过率如图2(a)所示。根据禁带宽度Eg、吸收系数α及光子能量hv之间的关系

(ahv)2=A0(hv-Eg)

其中，A0为一常数[9]，得到各样品的禁带宽度值如图2(b)所示。结果表明，随着沉积时间的延长，禁带宽度Eg先增后降。厚度为110 nm的样品的禁带宽度为2.41 eV，是最大值。

图1　不同薄膜厚度样品的XRD图谱

图2不同薄膜厚度样品的透过图谱及禁带变化

Fig 2 Transmittance and band gap of samples with different thickness

根据前面的研究结果，采用磁控溅射方法在SnO2∶F玻璃上制备了85～280 nm厚的CdS薄膜，并继续沉积CdTe、ZnTe∶Cu和Au薄膜，制作成太阳电池。测量了这些太阳电池的光、暗I-V特性和光谱响应。

4种CdS厚度的太阳电池的光I-V特性参数如表1所示。可以看出，除了C-1的开路电压较小外，其余电池的Voc大致相当。C-3具有最大的短路电流密度23.61 mA/cm2。C-4的Jsc最小，这是因为太厚的CdS薄膜不利于增强电池在短波段的响应，不能获得更多的光束载流子来提高其短路电流。此外填充因子及转换效率均随CdS薄膜厚度的增加呈现先增后减的趋势，C-2具有68.47%的最大填充因子和11.42%的最高转换效率。

图3给出了不同太阳电池的光谱响应曲线。可以看出，器件对300～500 nm短波段光谱响应度随厚度的增加而明显减小，这是因为CdS层厚度的降低有利于减少因CdS吸收而损失的那部分光子能量，从而提高被CdTe吸收的光子能量。在500～800 nm波段，CdS厚度为110 nm的电池C-2的光谱响应最高，280 nm的C-4最低,这与光I-V的测试结果一致。85 nm厚的CdTe电池对500～800 nm波段光谱响应度低的原因可能是由于CdS太薄而不能完全覆盖导电玻璃表面，使CdTe与导电玻璃直接相接，形成了漏电通道，导致这个波段的载流子收集率降低，进而引起器件光响应度降低。

表1　CdS/CdTe电池的性能

图3　CdTe电池的光谱响应曲线

对于CdS厚度为280 nm的C-4在500～800 nm波段对光子吸收率的降低：(1) 因为CdS太厚减小了光的透过率，可吸收光子数目减小；(2) 厚度的大幅增大同时也大大增加了薄膜中的缺陷浓度，缺陷浓度的增大可导致光生载流子的寿命和扩散长度减小，从而使得光子吸收率降低。因此，在保证CdS多晶薄膜对导电玻璃完全覆盖的情况下，减薄CdS厚度有利于提高CdTe太阳电池的光生电流，而优化CdTe电池的性能。

本文采用Agilent公司的4155C 半导体特性测试仪在室温下测量电池的暗I-V曲线，电压为-1.5～1.5 V。二极管的电流电压方程[9]可以表示为

(1)

式中，k为波尔兹曼常数，为1.38×10-23J/K，q为电子电量，为1.6×10-19C。室温时T=300 K，而在V>0时

则式(1)变为

(2)

将其两端取对数有

(3)

由图4可见，室温下4组CdTe太阳电池均具有良好的整流特性，反向电流明显饱和，由表2的计算结果来看，CdS薄膜厚度由85～165 nm时，CdTe电池的暗饱和电流密度逐渐减小，通过对CdS薄膜结构特性的分析可知，在相同沉积条件下，膜厚较大的薄膜结晶性能更好，这样有利于降低晶粒间界复合的情况从而减小了暗电流。

图4　CdTe薄膜太阳电池的暗J-V曲线

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

但当CdS厚度增大至280 nm时，却得到了四者中最大的二极管因子和暗饱和电流密度，这是因为CdS薄膜太厚，会影响其与CdTe形成的p-n结的内建电场的分布，从而使得结特性变差的缘故。这与前面电池的光I-V特性的结果是一致的。所以在没有高阻过渡层的情况下，CdS薄膜的厚度在100～160 nm之间为宜。

3结论

在室温下采用磁控溅射方法制备不同厚度的CdS薄膜，并用于CdS/CdTe电池的制备。测试其各项性能得出：CdS多晶薄膜的厚度对电池的性能有较大影响。厚度为280，165，110及85 nm的CdS薄膜应用于器件中，其转换效率分别为9.67%，10.5%，11.42%和8%。CdS薄膜厚度由85～165 nm时，CdTe电池的暗饱和电流密度逐渐减小。综合电池的各项性能参数可知，适度减薄CdS窗口层的厚度有利于光子被CdTe吸收。但太薄又会影响结特性，降低电池性能，因此，其厚度为100～160 nm较合适。

参考文献：

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[9]刘恩科，朱秉生，罗晋生. 半导体物理学[M]．(第7版) 北京: 电子工业出版社，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

文献标识码：A

中图分类号：TB332

作者简介：高文敏(1991-)，女，四川泸州人，在读硕士，师承武莉莉教授，主要从事材料物理与化学研究。

基金项目：国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2011CBA00708)

文章编号：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 通讯作者：武莉莉，E-mail: wulily77@163.com