p> pintojen, rajapintojen ja ohutkalvojen fysikaalisiin ominaisuuksiin

kemiallisen kylvyn analyysi ja sen vaikutus CDs/ITO-ohutkalvojen fysikaalisiin ominaisuuksiin

S. Herrera, C. M. Ramos, R. Patiño, J. L. Peña; W. Cauich; A. I. Oliva

IPN-yksikön tutkimus-ja syventävien tutkimusten keskus Merida teknillisen fysiikan laitokselta. TUKIASEMA. 73-Cordemex, 97310 Mérida Yucatán, Meksiko

Abstrakti

kadmiumsulfidi (CdS) ohutkalvot, jotka on talletettu indiumtinaoksidin (ITO) substraateille, valmistettiin kemiallisella kylpypinnoitustekniikalla eri pH-ja pNH3-arvoilla. Tämä tehtiin, jotta voitaisiin analysoida kylvyn alkuperäisen kemiallisen koostumuksen vaikutusta joihinkin lopullisten CD-kalvojen fysikaalisiin ominaisuuksiin, joita käytetään aurinkokennojen optisina ikkunoina. Kirjallisuudessa tälle laskeumalle ehdotettuun mekanismiin kuuluu tetra-ammonium kadmium (II) – kompleksi, Cd(NH$_{3})_{4}^{2+}$, reaktion alussa. Tämän mekanismin jälkeen Cd-pitoisuuden muutos (NH$_{3})_{4}^{2+}$ antaa laskeumanopeuden vaihtelun vastaavan filmin laadun muutoksen kanssa. Siksi liuokseen sisältyvien Cd2 + – lajien hallitsevuusvyöhykekaaviota pH: n ja pNH3: n arvojen funktiona käytettiin analysoimaan syitä, miksi CDs/ITO-ohutkalvoja suositaan vain kapealla ammonium-ja hydroksidipitoisuusalueella. Hyötykalvojen saamiseksi tulokset osoittivat, että alhaisia ammoniumpitoisuuksia on vältettävä korkeilla pH-arvoilla ja korkeita ammoniumpitoisuuksia alhaisemmilla pH-arvoilla.

avainsanat: Kemiallinen kylpyanalyysi; Kadmiumsulfidi; Puolijohdekalvo; Hallitsevuusdiagrammit

I. johdanto

Kadmiumsulfidi (CdS) on erinomainen materiaali, jota käytetään puolijohdekadmiumtelluridin kanssa aurinkokennojen valmistamiseen, koska sen optimaalinen kaistanvaihtoenergia (2,42 eV) optisia ikkunoita varten . Kemiallinen kylpy Laskeuma (CBD) on kokeiltu ja laajalti käytetty tekniikka teollisuudessa ja tutkimusalueella CDs ohutkalvojen laskeuman nopea, yksinkertainen ja edullinen menetelmä . Kemiallisen kylvyn koostumus ja laskeuman kinetiikka on raportoitu kirjallisuudessa siten, että nykyään hyvin tunnettuja funktionaalisia reseptejä käytetään yleensä CD-kalvojen valmistukseen riippuen Cd-ja S-ionien tuotantoon valituista kemiallisista yhdisteistä. Perinteisessä reseptissä kadmiumsuola liuotetaan emäksiseen ammoniumliuokseen, sekoitetaan ja kuumennetaan tiourean lisäyksen aikana, mikä aloittaa kalvon laskeuman indium-ohutoksidipinnoille (ITO) lasin päälle. Tällä tavoin on pyritty muuttamaan lämpötilaa, kemiallisten komponenttien pitoisuutta, pH: ta sekä kylvyn kiihtymisnopeutta ja-tyyppiä. Vaikka laskeuman kinetiikasta on raportoitu, tutkimukset CdS-kalvoilla saavutetuista fysikaalisista ominaisuuksista kemiallisen kylpypitoisuuden funktiona ovat kirjallisuudessa vähäiset. Tärkeä vaatimus CdS-kalvoille aurinkokennosovelluksissa on sileä pinta ja pieni määrä pinnalle valmistamisen jälkeen tuotettuja hillockeja, jotka lisätään optimaaliseen paksuuteen paremman toiminnallisuuden varmistamiseksi. Tässä työssä vallitsevien kadmiumpitoisuuksien analyyttinen tutkimus NH3 – ja OH-pitoisuuksista antaa optimaalisen kemiallisen koostumuksen olosuhteissa, jotta kerrostetuilla kalvoilla saavutetaan erilaisia ominaisuuksia.

II. teoria

tiedetään hyvin pH: n ja NH3: n vaikutus eri Cd2 + – lajien stabiilisuuteen liuoksessa. Kadmium (II) – ionit muodostavat erilaisia komplekseja ammonium-ja hydroksidin kanssa seuraavan yhtälön mukaan:

on bn, L vastaavan reaktion stabiilisuusvakio. Komplekseja voidaan muodostaa hydroksidi – ionin (l = OH -, n = 1-4), ammonium-ionin (L = NH3, n = 1-6) ja jopa tiourean (L = SC(NH2)2, n = 1-4) kanssa, joskin nämä viimeiset kompleksit ovat vähemmän stabiileja ja normaalisti niiden ei katsota häiritsevän kalvon reaktiomekanismia ja laskeumaa . Tämän mekanismin mukaan kompleksi adsorboituu pinnalle Cd(OH)2: na ennen reagoimista tiourean kanssa muodostaen CdS-kalvon. Jos laskeuman kinetiikkaa muutetaan, on mahdollista muuttaa CdS-kalvojen fysikaalisia ominaisuuksia. Kohtuullinen tapa vaikuttaa näihin vaihteluihin on pH-ja pNH3-muutosten avulla testata suhteellinen kadmiumlaji liuoksessa stabiiliusvakioiden mukaisesti. Tämä voidaan helposti visualisoida käyttämällä hallitsevuusvyöhykediagrammeja, jotka on testattu käyttökelpoisiksi analyyttisessä kemiassa . Tämän yleistetyn laji-ja tasapainomenetelmän mukaisesti huoneenlämmössä ilmoitettuja stabiilisuusvakioita käytettiin sen kemiallisen vyöhykkeen havaitsemiseen, jolla on vallitseva likiarvona laskeumaolosuhteissa. Lisätietoja tämän kaavion saamiseksi löytyy muualta . Niinpä Kuva. 1 on liuoksen Cd(II) – lajeille pH: n ja pNH3: n funktiona saatu kaavio, joka esittää pinnan, jossa kompleksin pitoisuus on yli 50% kokonaispitoisuudesta CD(II) liuoksessa. Viivat määrittelevät alueet, joilla on puolet kadmiumpitoisuudesta. Tämän vyöhykkeen ympärillä olevat pinnat liittyvät muihin vallitseviin kadmiumalajeihin liuoksessa: alue a on , alue b on , alue g on ja alue d on .

rajaviivoja johdetaan stabiilisuusvakioista ja lämpötilan muuttuessa; kaavio voi kuitenkin olla hyödyllinen analysoitaessa pH: n ja pNH3: n vaikutusta talletettujen kalvojen laatuun. Tässä työssä testataan pH: n ja pNH3: n alkuolosuhteiden vaihtelua CBD: n tallettamien CdS-kalvojen fysikaalisten ominaisuuksien ymmärtämiseksi. Numeroidut kohdat kuvassa. 1 edustavat kuutta koeehtoa, joita käytetään CdS-filmien tallettamisessa optimaaliselle alueelle tietyn määrän kadmiumia ja tioureaa osalta.

III. kokeelliset

CdS-kalvot valmistettiin erilaisissa kemiallisissa kylpyolosuhteissa määritetyn optimaalisen vyöhykkeen ympärillä (ts. erilaiset pH-arvot ja ammoniumpitoisuudet). Jokainen kemiallinen kylpy saatiin sekoittamalla neljä yksittäistä liuosta: 20 ml 0,02 M kadmiumkloridia, 20 ml ammoniumnitraattia (3.3, 3.1, 2.2, 5.5, 5.5 1, 8 M), 50 ml kaliumhydroksidia (1.3, 1.2, 0.8, 2.1, 2.1 ja 0, 7 m) ja 20 ml 0, 2 M tioureaa. Alkuperäiset kemialliset pitoisuudet laskeumakylvyssä yksittäisten liuosten sekoittamisen jälkeen on esitetty taulukossa I. kuten nähdään, kadmiumkloridin ja tiourean pitoisuudet eivät vaihdelleet kokeiden välillä. PH määritettiin digitaalisella pH-mittarilla ja pnh3-arvo suunnilleen laskettiin. Laskeuman aikana magneettista levottomuutta ja kylvyn lämpötilaa, T = 348 ± 2 K, pidettiin vakiona.

CdS – kalvot talletettiin Delta Technologiesin ito / lasialustoille (Rs = 10 ± 2 W, 200 nm paksu ja 2,53 x 10-6 W·m sähkövastuksena). Ennen laskeumaa ITO-substraatit puhdistettiin saippualla, trikloorieteenillä, asetonilla ja isopropyylialkoholilla huuhtelemalla tislatulla vedellä jokaisen vaiheen välillä standardimenetelmällä. Kutakin koetta varten viisi ITO-substraattia upotetaan kemialliseen kylpyyn kadmiumkloridilla, ammoniumnitraatilla ja kaliumhydroksidilla. Sitten kylpy kuumennetaan 348 K, laskeuman lämpötila. Kemiallista kylpyä lämmitettiin ja sekoitettiin lämmittimen sekoituslevyllä ja sen lämpötila mitattiin kemialliseen kylpyyn sijoitetulla Hg-lämpömittarilla. Kun laskeumalämpötila on saavutettu, tiourea lisätään ja CdS: n muodostuminen alkaa. Jokainen ITO-substraatti poistettiin kemiallisesta kylvystä yksitellen 10, 20, 30, 40 ja 50 minuutin kuluttua ja huuhdeltiin välittömästi tislatulla vedellä ultraäänipuhdistusaineeseen. Molemmille alustoille saatiin vaaleankeltaisia CdS-kalvoja ja lasipinta puhdistetaan 10% HCl-liuoksella CDs-kalvon poistamiseksi tältä pinnalta.

kuivattujen kalvojen pintamorfologia kuvattiin ATOMIVOIMAMIKROSKOPIALLA (AFM) (CP Autoprobe). Taajuusalueen rakoenergia laskettiin stellarnet EPP2000-spektrofotometrillä ultraviolettinäkyvällä alueella (200-850 nm: n aallonpituudella) saadusta spektridatasta käyttäen laboratoriossamme tehtyä erityistä mukautusta kiinteiden näytteiden analysointiin. Ito-spektriä käytetään viitteenä poistamaan sen vaikutus CD-filmin kaistavajeessa. CdS-kalvojen paksuus mitattiin Dektak 8-profiilimittarilla sen jälkeen, kun Kalvonurkkaan oli muodostettu vaihe HCl-liuoksella.

IV. Tulokset

kuvassa 2 esitetään saatu kalvonpaksuus ja vastaava kaistan aukkoenergia Laskeuma-ajan funktiona kokeissa 1, 2, 3 ja 5.

kokeella 4 oli erittäin hidas Laskeuma eikä kokeella 6 ollut laskeumaa. On mahdollista tarkkailla (Kuva. 2a) että laskeuman nopeus kokeessa 1 on nopein alussa, mutta hidastuu hyvin pian. Toisaalta kokeessa 2 näkyy hidas Laskeuma ensimmäisen osan aikana, jota seuraa hyvä laskeuma, joka antaa paksuimman kalvon kaikkien testien välillä. Kokeet 3 ja 5 osoittivat hitaita laskeumia CBD: n ensimmäisten 50 minuutin aikana. Myös Fig. 2b: n avulla voidaan nähdä kineettiset erot molempien kokeiden välillä käyttämällä laskennallista kaistan aukkoenergiaa. Kokeet 2 ja 3 osoittavat suurempia arvoja kaistan aukon energiaa ensimmäisille kalvoille (10-20 min) johtuen pienestä mitatusta paksuudesta, joka liittyy eristysvaikutukseen. Sen jälkeen kaistavajeen arvot ovat samanlaisia kuin tyypilliset tulokset lähellä 2,4 eV. Kokeiden 1 ja 2 erot mahdollistavat sen johtopäätöksen, että on mahdollista muuttaa paitsi laskeuman nopeutta myös kalvon laatua pH: n muutoksella kylvyssä. Tarkempia eroja voitiin havaita, kun kemiallisessa koostumuksessa tehtiin suurempia muutoksia, kuten on esitetty taulukossa II.

kokeet 2, 3 ja 4 antavat kuinka tärkeä on ammoniumpitoisuus vastaavilla pH-arvoilla. Näistä kolmesta kokeesta numero 3: lla on pienin ammoniumpitoisuus ja se seuraa hitaampaa laskeuman kinetiikkaa kuin koe 2: Paksuus 50 minuutin kuluttua oli pienempi filmille kokeessa 3 verrattuna kokeeseen 2, mutta kaistan aukon energia saavuttaa samanlaiset arvot. Koe 4 taas on suurempi ammoniumpitoisuus ja sen kinetiikka on hitainta laskeuman suhteen. Lopullinen paksuus on huomattavasti pienempi ja vastaavanlainen taajuusraon energian arvo saavutettiin vasta 90 minuutin laskeuman jälkeen.

kokeet 5 ja 6 antavat mielenkiintoisia tuloksia useammista pH: n perusarvoista. kun kokeessa 5 käytettiin korkeaa ammoniumpitoisuutta, havaittiin laskeuman inhibitio ensimmäisten minuuttien jälkeen, juuri sen jälkeen, kun ohut kalvo oli talletettu muuttumattomalla morfologialla ja samanlaisella kaistan raolla. Kuitenkin kokeessa 6, jossa käytettiin alhaista ammoniumpitoisuutta, kalvon Laskeuma estettiin täysin. On tärkeää sanoa, että näissä kahdessa kokeessa liuoksen väri muuttui keltaiseksi heti tiourean lisäämisen jälkeen, vaikka Laskeuma estyi reaktion ensimmäisistä minuuteista lähtien.

joitakin tyypillisiä CDs-filmien pinnan morfologisia kuvia 20 minuutin laskeuman jälkeen on esitetty kuviossa. 3 saatu AFM-tekniikalla. Nämä kuvat otettiin kuutta koetta varten kymmenen minuutin välein. Kokeiden 4 ja 6 kuvissa ei havaittu merkittävää laskeumaa.

on mahdollista havaita, että kemiallisen kylvyn pH: n ja pNH3-arvojen vähäisissä vaihteluissa laskeuman kinetiikka ja CDS-kalvojen vastaava laatu voidaan ajaa materiaalisovellusten tarpeiden mukaisesti. Around area a in Fig. 1, jossa on suuria ammoniumpitoisuuksia, on vyöhyke, jolla laskeuma on hyvin hidasta, mikä osoittaa, että vaikuttaa negatiivisesti reaktion mekanismiin. B-alueen lähellä, vaikka myös laskeumanopeudet pienenevät, voidaan merkittävällä kontrollilla määritellä pieniä vaihteluita kalvon ominaisuuksissa; tällä vyöhykkeellä ei ole ongelmallinen vaihe koko prosessin kannalta. Lopuksi alueiden g ja d lähellä kadmiumhydroksidien muodostuminen antaa dramaattisen esimerkin, jossa CdS-kalvojen Laskeuma estyy täysin.

V. Päätelmä

kalvojen mitatuissa ominaisuuksissa havaittiin suuria eroja kunkin kemiallisen kylvytilanteen välillä siten, että liuoksen pH ja pNH3 ovat avainasemassa. Eri nopeuslaskeumat eli erilaiset kalvolaadut voidaan saavuttaa pienillä muutoksilla liuoksen kemiallisessa konsentraatiossa. Nämä tulokset voivat olla mielenkiintoisia cdte/CdS/ITO-aurinkokennojen optisen ikkunasuunnittelun kannalta, kun otetaan huomioon mahdollisuus kontrolloida talletettujen CdS-filmien paksuutta ja pinnanopeutta. Tulosten perusteella ammoniumpitoisuuksien ja riittävän CDs-kalvon laskeuman pH-arvojen välillä vallitsee kompromissi. On suositeltavaa välttää: i) enemmän pH: n perusarvoja, kun ammoniumpitoisuus on alhainen, tai ii) suuria ammoniumpitoisuuksia, joilla on pienemmät pH-arvot. matalat ammoniumpitoisuudet ovat mahdollisia vähemmillä emäksisillä liuoksilla ja korkeat ammoniumpitoisuudet sallitaan suuremmilla pH-arvoilla. PH: n (noin 11) ja ammoniumpitoisuuden (noin 0,2 M) väliarvot antavat nopeat laskeumat. Elokuvien laadun parantamiseksi suositellaan kuitenkin hitaampia taksoja. Uusia kokeita on tarkoitus analysoida yksityiskohtaisemmin näitä vaikutuksia CdS-sovelluksiin, tutkimalla erityisesti pH=10 ja pNH3=0.4 m: n ympärillä olevaa vyöhykettä.

kuittaus

tätä työtä tuki CONACYT (México) project 38480-E: n kautta. tekijät kiittävät Oscar Ceh: tä ja Emilio Coronaa teknisestä avusta.

Y. J. Chang, C. L. Munsee, G. S. Herman, J. F. Wager, P. Mugdur, D. H. Lee ja C. H. Chang, Surf. Käyttöliittymä Anaali. 37, 398 (2005).

A. Arias-Carbajal Reádigos, V. M. Garcia, O. Gomezdaza, J. Campos, M. T. S. Nair ja P. K. Nair. Sci. Technol. 15, 1022 (2000).

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

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

M. E. Páez-Hernández, M. T. Ramírez, A. Rojas-Hernández, Talanta 51, 107 (2000).

A. Maldonado, R. Asomoza, J. Canetas-Ortega, E. P. Zironi, R. Hernández, R. Patiño ja O. Solorza-Feria, Solar Energy Materials & Solar Cells 57, 331 (1999).