overflader, grænseflader og tynde film

analyse af det kemiske bad og dets virkning på de fysiske egenskaber af CdS/ito tynde film

S. Herrera, C. M. Ramos, R. Pati Larso, J. L. PE Larra; Cauich; A. I. Oliva

Center for forskning og avancerede studier af IPN-enheden Merida, Institut for Anvendt Fysik. ADGANGSPUNKT. 73-Cordemeks, 97310 m Cheririda Yucat Cheritn, Kina

ABSTRACT

cadmiumsulfid (CdS) tynde film deponeret på indium tinoksid (ITO) substrater blev fremstillet ved den kemiske badaflejringsteknik ved forskellige værdier af pH og pNH3. Dette blev lavet for at analysere indflydelsen af badets oprindelige kemiske sammensætning på nogle fysiske egenskaber af de endelige CdS-film, der anvendes som optiske vinduer til solceller. Den mekanisme, der foreslås i litteraturen til denne deponering, involverer tetra-ammoniumcadmium (II) – komplekset, Cd (NH$_{3})_{4}^{2+}$, i begyndelsen af reaktionen. Efter denne mekanisme ændres koncentrationen af Cd (NH$_{3})_{4}^{2+}$ giver en variation i aflejringshastigheden med den tilsvarende ændring i filmens kvalitet. Derfor blev overvejelsesområdediagrammet for Cd2 + – arter i opløsning som en funktion af værdierne for pH og pNH3 brugt til at analysere årsagerne til, at CDs/ITO-tynde film foretrækkes i et snævert interval af ammonium-og hydroksidkoncentrationer. For at opnå nyttige film viste resultaterne, at lave ammoniumkoncentrationer skal undgås ved høje pH-værdier såvel som høje ammoniumkoncentrationer ved lavere pH-værdier.

nøgleord: kemisk badanalyse; Cadmium sulfid; Halvlederfilm; Overvejelsesdiagrammer

I. introduktion

Cadmium sulfid (CdS) er et fremragende materiale, der bruges sammen med halvleder cadmium tellurid til at fremstille solceller i betragtning af dets optimale båndgabsenergi (2,42 eV) til optiske vinduer . Kemisk badaflejring (CBD) er en eksperimenteret og udbredt teknik i branchen og inden for forskningsområdet for CDS-tyndfilmaflejring ved hjælp af den hurtige, enkle og billige metode . Sammensætningen af det kemiske bad og aflejringens kinetik er blevet rapporteret i litteraturen, således at nu meget kendte funktionelle opskrifter normalt anvendes til fremstilling af CdS-film afhængigt af de kemiske forbindelser, der er valgt til produktion af Cd-og S-ioner. I den traditionelle opskrift opløses et cadmiumsalt i en basisk ammoniumopløsning, omrøres og opvarmes under tilsætning af thiourinstof, hvilket starter filmaflejringen på ito-overflader over glas. Der er gjort flere bestræbelser på denne måde ved at ændre temperaturen, koncentrationen af kemiske komponenter, pH og hastighed og type badrygning. Selvom deponeringens kinetik er rapporteret, er undersøgelser af de fysiske egenskaber opnået på CdS-filmene som en funktion af den kemiske badkoncentration knappe i litteraturen. Et vigtigt krav til CDs-filmene til solcelleanvendelser er den glatte overflade og den mindre mængde bakker, der produceres på overfladen efter tilberedning, tilsat den optimale tykkelse for bedre funktionalitet. I dette arbejde giver en analytisk undersøgelse af de overvejende cadmiumarter afhængigt af NH3 og OH – koncentrationer optimale betingelser for den kemiske sammensætning for at opnå forskellige kvaliteter på de deponerede film.

II. teori

det er velkendt indflydelsen af pH og NH3 i stabiliteten af forskellige Cd2 + arter i opløsning. Cadmiumionerne (II) danner en række komplekser med ammonium og hydroksid ifølge følgende ligning:

er bn, l stabilitetskonstanten for den tilsvarende reaktion. Komplekserne kan dannes med hydroksidionen (L = OH – , n = 1 til 4), ammonium (L = NH3, n = 1 til 6) og endda med thiourinstof(L = SC (NH2)2, n = 1 til 4), skønt disse sidste komplekser er mindre stabile og normalt anses de ikke for at blande sig i reaktionsmekanismen og aflejringen af filmen . Ifølge denne mekanisme adsorberes komplekset i overfladen som Cd(OH)2, før det reagerer med thiourinstof for at danne CdS-filmen. Hvis aflejringens kinetik ændres, er det muligt at ændre CdS-filmens fysiske egenskaber. En rimelig måde at drive disse variationer på er gennem pH-og pnh3-ændringer for at teste de relative cadmiumarter i opløsning i henhold til stabilitetskonstanterne. Dette kan let visualiseres ved hjælp af overordnede områdediagrammer, som er testet for at være nyttige i analytisk kemi . Ifølge denne metode af generaliserede arter og ligevægt blev stabilitetskonstanterne rapporteret ved stuetemperatur anvendt til at detektere det kemiske område, hvor dominerer som en tilnærmelse til betingelserne ved aflejringstemperaturen. Flere detaljer for at få dette diagram findes andre steder . Således Fig. 1 er diagrammet opnået for Cd (II) arter i opløsning som funktion af pH og pNH3, der viser overfladen, hvor komplekset er til stede i koncentrationer over 50% af den samlede Cd(II) i opløsning. Linjerne definerer de specifikke områder, hvor er til stede for halvdelen af koncentrationen af cadmiumarterne. Overfladerne omkring dette område er dem, der er relateret til andre fremherskende arter af cadmium i opløsning: området A er for , området B er for , området g er for og området d er for .

grænselinjerne er afledt af stabilitetskonstanterne og ændres med temperatur; diagrammet kan dog være nyttigt til analyse af indflydelsen af pH og pNH3 på kvaliteten af deponerede film. I dette arbejde testes en variation af pH-og pnh3-startbetingelserne for at forstå de fysiske egenskaber ved CDS-film deponeret af CBD. De nummererede punkter i Fig. 1 repræsenterer de seks forsøgsbetingelser, der bruges til at deponere CDs-film i det optimale område for en fast mængde cadmium og thiourinstof.

III. eksperimentelle

CDs-film blev fremstillet under forskellige kemiske badeforhold omkring det bestemte optimale område (dvs. forskellige pH-værdier og ammoniumkoncentrationer). Hver kemisk bad blev opnået blande fire individuelle opløsninger: 20 ml 0,02 M cadmiumchlorid, 20 ml ammoniumnitrat (3.3, 3.1, 2.2, 5.5, 5.5 1,8 M), 50 ml kaliumhydroksid (1.3, 1.2, 0.8, 2.1, 2.1 henholdsvis 0,7 M) og 20 ml 0,2 M thiourinstof. De indledende kemiske koncentrationer i aflejringsbadet efter blanding af de enkelte opløsninger er angivet i tabel I. Som set blev cadmiumchlorid-og thiourinkoncentrationer ikke varieret mellem forsøg. PH-værdien blev bestemt med en digital pH-meter, og pNH3 blev omtrent beregnet. Under aflejring blev magnetisk omrøring og badetemperatur, T = 348 liter 2 K, holdt konstant.

CdS – film blev deponeret på ITO / glass-substrater fra Delta Technologies (Rs = 10 liter 2 Vægt, 200 nm tyk og 2,53 gange 10-6 vægt som elektrisk resistivitet). Før aflejring blev ITO-substrater rengjort med sæbe, trichlorethylen, acetone og isopropylalkohol, skylning med destilleret vand mellem hvert trin ifølge en standardmetode. For hvert forsøg nedsænkes fem ito-substrater i det kemiske bad med cadmiumchlorid, ammoniumnitrat og kaliumhydroksid. Derefter opvarmes badet ved 348 K, aflejringstemperaturen. Det kemiske bad blev opvarmet og omrørt med en varmelegeme-omrørerplade, og dens temperatur blev målt med et Hg-termometer placeret i det kemiske bad. Når aflejringstemperaturen er nået, tilsættes thiourinstoffet, og CDs-dannelsen starter. Hvert ITO-substrat blev fjernet fra det kemiske bad en efter en efter 10, 20, 30, 40 og 50 minutter og skylles straks med destilleret vand til en ultralydsrenser. Bleggule CdS-film blev opnået på begge substratflader, og glasoverfladen rengøres med en 10% HCl-opløsning for at fjerne CdS-filmen fra dette ansigt.

overfladen morfologi af de tørrede film blev afbildet med atomic force microscopy (AFM) teknik (CP Autoprobe). Båndgapsenergien blev beregnet ud fra spektraldata opnået med et StellarNet EPP2000 spektrofotometer i det ultraviolet synlige område (fra 200 til 850 nm bølgelængde) ved hjælp af en speciel tilpasning foretaget i vores laboratorium til analyse af faste prøver. ITO-spektret bruges som reference til at eliminere dets virkning i båndgabet i CdS-filmen. Tykkelsen af CDS-film blev målt ved anvendelse af en Dektak 8 profilmåler efter dannelse af et trin i filmhjørnet med HCl-opløsningen.

IV. Resultater

figur 2 viser den opnåede filmtykkelse og den tilsvarende båndgabsenergi som funktion af aflejringstiden for forsøgene 1, 2, 3 og 5.

eksperiment 4 havde en ekstremt langsom deponering, og eksperiment 6 havde ingen deponering. Det er muligt at observere (Fig. 2a) at aflejringshastigheden for eksperimentet 1 er den hurtigste i starten, men bliver langsommere meget snart. På den anden side viser eksperimentet 2 en langsom aflejring under den første del efterfulgt af en god hastighedsaflejring, der giver den tykkeste film mellem alle testene. Eksperimenter 3 og 5 viste langsomme aflejringshastigheder i løbet af alle de første 50 minutter af CBD. Også Fig. 2b gør det muligt at se de kinetiske forskelle mellem begge eksperimenter ved hjælp af den beregnede båndgabsenergi. Eksperimenter 2 og 3 viser større værdier af båndgabsenergien for de første film (10-20 min) på grund af den lille målte tykkelse relateret til indeslutningseffekten. Derefter svarer båndgabsværdier til de typiske resultater nær 2,4 eV. Forskellene mellem forsøg 1 og 2 tillader konkludere, at det er muligt at ændre ikke kun aflejringshastigheden, men også filmkvaliteten gennem en ændring af pH i badet. Mere præcise forskelle kunne ses, når der blev foretaget større ændringer i den kemiske sammensætning, som vist i tabel II.

forsøg 2, 3 og 4 giver, hvor vigtig ammoniumkoncentrationen er ved tilsvarende pH-værdier. Af disse tre eksperimenter, tallet 3 har den laveste ammoniumkoncentration og følger en langsommere deponeringskinetik end eksperiment 2: tykkelsen efter 50 min var mindre for filmen i eksperiment 3 sammenlignet med eksperiment 2, men båndgabsenergien når lignende værdier. Eksperiment 4 har derimod en større ammoniumkoncentration og havde den langsomste kinetik af aflejring. Den endelige tykkelse er signifikant lavere, og en lignende værdi af båndgabsenergi blev først nået efter 90 min afsætning.

eksperimenter 5 og 6 giver interessante resultater for mere basale værdier af pH. når en høj ammoniumkoncentration blev anvendt i eksperiment 5, blev der fundet en inhibering af aflejringen siden de første minutter, lige efter at en tynd film blev deponeret med en uændret morfologi og lignende båndgab. Til eksperiment 6, hvor der blev anvendt en lav ammoniumkoncentration, blev aflejringen af filmen imidlertid fuldstændigt hæmmet. Det er vigtigt at sige, at opløsningens farve i disse to eksperimenter ændrede sig til gul umiddelbart efter tilsætningen af thiourinstof, skønt aflejringen blev hæmmet siden de første minutter af reaktionen.

nogle typiske overflademorfologiske billeder af CdS-film efter 20 min afsætning er vist i Fig. 3 som opnået ved AFM-teknikken. Disse billeder blev taget til de seks eksperimenter hvert tiende minut. Billeder til forsøgene 4 og 6 viste ingen signifikant aflejring.

det er muligt at observere, at for små variationer i pH-værdien og pnh3-værdierne i det kemiske bad kan aflejringens kinetik og den tilsvarende kvalitet af CdS-filmene drives i overensstemmelse med nødvendighederne i materialeanvendelserne. Omkring område A i Fig. 1, hvor høje koncentrationer af ammonium er til stede, er der et område med meget langsomme aflejringshastigheder, hvilket indikerer, at har en negativ indflydelse i reaktionsmekanismen. I nærheden af område b, selvom hastighedsaflejring også mindskes, er en større kontrol tilladt at definere små variationer i filmegenskaberne; i dette område er konverteringen af til ikke et problematisk trin for den samlede proces. Endelig nær områderne g og d giver dannelsen af cadmiumhydroksider et dramatisk eksempel, hvor aflejringen af CdS-film er fuldstændig hæmmet.

V. Konklusion

der blev fundet store forskelle i filmens målte egenskaber mellem hver kemisk badtilstand, således at opløsningens pH og pNH3 spiller en nøglerolle. Forskellige hastighedsaflejringer, dvs.forskellige filmkvaliteter, kan opnås med mindre ændringer i opløsningens kemiske koncentration. Disse resultater kan være interessante for det optiske vinduesdesign af CdTe/CdS/ITO solceller, der får mulighed for at kontrollere tykkelsen og hastighedsaflejringen af de deponerede CDs-film. I overensstemmelse med resultaterne er der et kompromis mellem ammoniumkoncentrationer og pH-værdier for en passende CDs-filmaflejring. Det anbefales at undgå: (i) flere grundlæggende værdier af pH, når ammoniumkoncentrationen er lav, eller (ii) høje ammoniumkoncentrationer med lavere værdier af pH. lave ammoniumkoncentrationer er mulige med mindre basale opløsninger, og høje ammoniumkoncentrationer er tilladt med større pH-værdier. Mellemliggende værdier af pH (omkring 11) og ammoniumkoncentration (omkring 0,2 M) giver hurtige aflejringer. Ikke desto mindre anbefales langsommere satser for at forbedre kvaliteten af filmene. Yderligere eksperimenter er planlagt til at analysere mere detaljeret disse effekter på CdS applikationer, udforske specielt området omkring pH=10 og pNH3=0.4 M.

anerkendelse

dette arbejde blev støttet af Conacyt (m) Gennem projekt 38480-E. forfattere tak til Oscar Ceh og Emilio Corona for deres tekniske hjælp.

Y. J. Chang, C. L. Munsee, G. S. Herman, J. F. satsning, P. Mugdur, D. H. Lee, og C. H. Chang, Surf. Grænseflade Anal. 37, 398 (2005).

A. Arias-Carbajal re Karrdigos, V. M. Han er en af de mest kendte og mest kendte mennesker i verden. Sci. Technol. 15, 1022 (2000).

R. Ortega-Borges, D. Lincot, J. Electrochem. Soc. 140, 3464 (1993).

J. M. do Larra, J. Herrero, J. Electrochem. Soc. 144, 4081 (1997).

M. E. P. M. P. M. P. M. P., M. T. Ram, A. Rojas, Talanta 51, 107 (2000).

A. Maldonado, R. Asomos, J. Canetas-Ortega, E. P. Sironi, R. Hernrius, R. Pati, og O. Soloros-Feria, Solenergi materialer & solceller 57, 331 (1999).