[发明专利]一种超声辅助制备CdS薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及薄膜太阳能电池制造技术中的CdS薄膜制备工艺，具体为一种使用超声辅助制备CdS薄膜的方法。

背景技术

CdS是一种带隙宽度为2.42eV的直接带隙n型半导体材料。在CuIn_1-xGa_xSe₂(CIGS)薄膜太阳能电池中，CdS被用作低带隙CIGS吸收层和高带隙ZnO窗口层之间的缓冲层，减小了两者之间的带隙台阶和晶格失配。同时，n型的CdS层和ZnO层与p型的CIGS层组成了p-n结，从而构成了太阳能电池的核心结构。CdS层的成膜质量对于太阳能电池性能具有重要影响。

化学水浴法(chemical bath deposition,CBD)是目前使用最广泛的CdS薄膜制备方法，其具有工艺简单、成本低廉、所生长的CdS薄膜相对致密均匀等优点。CBD中使用的反应溶液通常是由镉盐、硫脲、氨水按一定比例配成的碱性溶液，其反应原理为：

(1)溶液中的自由Cd²⁺同NH₃结合成Cd(NH₃)₄²⁺,聚集在衬底附近；

Cd²⁺+4NH₃→Cd(NH₃)₄²⁺。

(2)在衬底表面上发生Cd(OH)₂的可逆吸附过程(site是衬底表面的吸附空位，abs是吸附配位数，n取值1～4)；

Cd(NH3)_n²⁺+2OH-+site→[Cd(OH)₂]_abs+nNH₃。

(3)Cd(OH)₂与硫脲发生吸附，产生亚稳定态Cd(OH)₂SC(NH₂)₂络合物；

[Cd(OH)₂]_abs+SC(NH₂)₂→[Cd(OH)₂SC(NH₂)₂]_abs。

(4)Cd(OH)₂SC(NH₂)₂分解产生CdS，在衬底表面形成薄膜的同时重新产生一个吸附空位。

[Cd(OH)₂SC(NH₂)₂]_abs→CdS+CN₂H₂+2H₂O+site。

目前CBD的一般步骤为：1)在反应容器中配制反应溶液；2)将衬底浸入反应液中，并将反应容器放入水浴中；3)水浴保持一定温度，并使用搅拌棒搅动反应溶液，在衬底表面沉积CdS薄膜；4)取出衬底后，使用超纯水冲洗。

现有CdS薄膜CBD制备方法存在的主要问题为：1)含有氨水的反应液在搅拌过程中容易产生气泡并吸附于衬底表面，从而导致CdS薄膜中孔洞的产生；2)在反应过程中，反应液中会产生CdS大颗粒并沉积于衬底表面，使得CdS薄膜的均匀性降低。

为解决上述问题，目前已有一些专利使用超声或机械振动来改进CdS薄膜化学水浴制备方法。专利CN101989633B提出在CdS薄膜化学水浴沉积之后，将衬底放入去离子水进行10-30min的超声处理，去除表面吸附的CdS颗粒和其他杂质。但此方法只能去除部分吸附力较差的颗粒，并且无法避免反应过程中吸附于衬底表面的气泡导致的孔洞，也无法减少反应过程中CdS团簇颗粒在衬底表面的沉积。专利CN103232060A提到在CdS薄膜沉积过程中振动反应槽或者敲打反应槽外壁，驱除衬底表面气泡，并且减小CdS团簇颗粒的大小。但该方法通过敲打产生振动的方式效率低下且重复性不好，对CdS成膜品质改进幅度有限。

发明内容

基于已有技术存在的问题，本发明的目的是要提供一种超声辅助制备CdS薄膜的方法，该方法是在薄膜生长过程中直接对衬底施加超声振动，以减少现有制备方法在CdS薄膜中形成的孔洞和表面沉积的颗粒，从而制备出更加均匀致密的CdS薄膜，提高薄膜太阳能电池效率。该方法还可同时进行多个衬底的CdS薄膜沉积，提高工作效率。