felületek, interfészek és VÉKONYFILMEK

a kémiai fürdő elemzése és hatása a CDS/ITO vékonyfilmek fizikai tulajdonságaira

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

az IPN egység kutatási és fejlett tanulmányainak központja Merida, alkalmazott fizika tanszék. AP. 73-Cordemex, 97310 M Xhamsterrida Yucat Xhamstern, Mexikó

absztrakt

az indium-ón-oxid (ITO) szubsztrátokra lerakódott kadmium-szulfid (CDs) vékony fóliákat különböző pH-és pNH3-értékeken kémiai fürdőleválasztási technikával állítottuk elő. Ennek célja a fürdő kezdeti kémiai összetételének a napelemek optikai ablakaként használt végső CdS-filmek egyes fizikai tulajdonságaira gyakorolt hatásának elemzése volt. A szakirodalomban erre a lerakódásra javasolt mechanizmus magában foglalja a Tetra-ammónium-kadmium (II) komplexet, Cd (NH$_{3})_{4}^{2+}$, a reakció kezdetén. Ezt a mechanizmust követve a Cd(NH) koncentrációjának változása$_{3})_{4}^{2+}$ a lerakódás sebességének változását adja a film minőségének megfelelő módosításával. Ezért az oldatban lévő Cd2 + Fajok dominancia zónájának diagramját a pH és a pNH3 értékek függvényében arra használtuk, hogy elemezzük azokat az okokat, amelyek miatt a CdS/ITO vékonyfilmek csak az ammónium-és hidroxid-koncentrációk szűk tartományában részesülnek előnyben. Hasznos filmek előállításához az eredmények azt mutatták, hogy magas pH-értékeknél kerülni kell az alacsony ammóniumkoncentrációt, valamint az alacsonyabb pH-értékeknél a magas ammóniumkoncentrációt.

kulcsszavak: kémiai fürdőelemzés; kadmium-szulfid; félvezető film; Túlsúlydiagramok

I. Bevezetés

a kadmium-szulfid (CDs) kiváló anyag, amelyet a félvezető kadmium-telluriddal együtt használnak napelemek gyártásához, tekintettel annak optimális sávrés-energiájára (2,42 eV) optikai ablakokhoz . Kémiai fürdő deposition (CBD) egy kísérletezett és széles körben használt technika az iparban és a kutatási területen a CDS vékony filmek deposition a gyors, egyszerű és olcsó módszer . A kémiai fürdő összetételéről és a lerakódás kinetikájáról az irodalomban beszámoltak oly módon, hogy ma már nagyon ismert funkcionális recepteket használnak a CdS-filmek előkészítéséhez, a Cd-és S-ionok előállításához kiválasztott kémiai vegyületektől függően. A hagyományos recept szerint a kadmiumsót bázikus ammóniumoldatban oldják, tiokarbamid hozzáadása közben keverik és melegítik, ami elindítja a film lerakódását az indium vékony oxid (ITO) felületeken üveg felett. Számos erőfeszítést tettek ily módon a hőmérséklet, a kémiai összetevők koncentrációjának, a pH-nak, valamint a fürdő keverésének sebességének és típusának megváltoztatásával. Bár a lerakódás kinetikájáról számoltak be, a CDS-filmeken a kémiai fürdő koncentrációjának függvényében elért fizikai tulajdonságok vizsgálata kevés az irodalomban. A napelemek alkalmazásához szükséges CDs fóliák fontos követelménye a sima felület, valamint az előkészítés után a felületen keletkező kis mennyiségű dombocska, amelyet az optimális vastagsághoz adnak a jobb funkcionalitás érdekében. Ebben a munkában az NH3 és OH koncentráció függvényében a domináns kadmiumfajok analitikai vizsgálata optimális feltételeket biztosít a kémiai összetételhez, hogy különböző tulajdonságokat érjen el a lerakódott filmeken.

II. elmélet

jól ismert a pH és az NH3 hatása a különböző Cd2 + Fajok stabilitására az oldatban. A kadmium (II) ionok különféle komplexeket alkotnak ammóniummal és hidroxiddal, a következő egyenlet szerint:

BN,L a megfelelő reakció stabilitási állandója. A komplexek kialakíthatók a hidroxidionnal (L = OH – , n = 1-4), az ammóniummal (L = NH3, n = 1-6), sőt tiokarbamiddal (L = SC(NH2)2, n = 1-4), bár ezek az utolsó komplexek kevésbé stabilak, és általában nem tekinthetők úgy, hogy zavarják a reakció mechanizmusát és a film lerakódását . E mechanizmus szerint a komplex a felületen Cd(OH)2-ként adszorbeálódik, mielőtt a tiokarbamiddal reagálva a CdS-filmet képezné. Ha a lerakódás kinetikája módosul, meg lehet változtatni a CdS filmek fizikai tulajdonságait. Egy ésszerűen vezetni ezeket a variációkat keresztül pH és pNH3 változások, hogy teszteljék a relatív kadmium Fajok oldatban, szerint a stabilitási állandók. Ez könnyen vizualizálható a dominancia zóna diagramok segítségével, amelyeket hasznosnak teszteltek az analitikai kémiában . Ezzel az általánosított faj-és egyensúlyi módszerrel a szobahőmérsékleten jelentett stabilitási állandókat alkalmaztuk annak a kémiai zónának a kimutatására, amelyben a a lerakódás hőmérsékletének körülményeihez való közelítésként dominál. További részletek a diagram megszerzéséhez máshol találhatók . Így, Ábra. Az 1.ábra az oldatban lévő Cd(II) Fajok pH és pNH3 függvényében kapott diagramja, amely azt a felületet mutatja, ahol a komplex az oldatban lévő összes Cd(II) 50% – át meghaladó koncentrációban van jelen. A vonalak határozzák meg azokat a speciális zónákat, ahol a a kadmiumfaj koncentrációjának felénél jelen van. A zóna körüli felületek az oldatban lévő kadmium többi domináns fajához kapcsolódnak: az a terület a , A b terület a , A g terület a és a d terület a

a határvonalak a stabilitási állandókból származnak, és a hőmérséklet függvényében változnak; a diagram azonban hasznos lehet a pH és a pNH3 hatásának elemzésére a lerakódott filmek minőségére. Ebben a munkában a pH és a pnh3 kezdeti feltételek variációját tesztelik annak érdekében, hogy megértsék a CBD által letétbe helyezett CdS filmek fizikai tulajdonságait. A számozott pontok az ábrán. 1 A CDs-fóliák meghatározott mennyiségű kadmium és tiokarbamid optimális zónájába történő betételéhez használt hat kísérleti feltétel.

III. kísérleti

a meghatározott optimális zóna körül különböző kémiai fürdési körülmények között (pl. különböző pH-értékek és ammóniumkoncentrációk). Minden kémiai fürdőt négy egyedi oldat keverésével kaptunk: 20 ml 0,02 M kadmium-klorid, 20 ml ammónium-nitrát (3.3, 3.1, 2.2, 5.5, 5.5 illetve 1,8 M), 50 ml kálium-hidroxid (1.3, 1.2, 0.8, 2.1, 2.1 illetve 0,7 M), illetve 20 ml 0,2 M tiokarbamid. Az egyes oldatok összekeverése után a lerakódási fürdőben a kezdeti kémiai koncentrációkat az I. táblázat tartalmazza.mint látható, a kadmium-klorid és a tiokarbamid koncentrációja nem változott a kísérletek között. A pH-T digitális pH-mérővel határoztuk meg, és a pNH3-at hozzávetőlegesen kiszámítottuk. A lerakódás során a mágneses keverést és a fürdő hőmérsékletét (T = 348 6 K) állandó értéken tartottuk.

a CD – filmeket a Delta Technologies ITO/üveg hordozóin helyezték el (Rs = 10 6 W, 200 nm vastag és 2,53 x 10-6 W·m elektromos ellenállásként). A lerakódás előtt az ITO-szubsztrátumokat szappannal, triklór-etilénnel, acetonnal és izopropil-alkohollal tisztítottuk, az egyes szakaszok között desztillált vízzel öblítettük, standard módszerrel. Minden kísérlethez öt ITO szubsztrátot merítenek a kémiai fürdőbe kadmium-kloriddal, ammónium-nitráttal és kálium-hidroxiddal. Ezután a fürdőt 348 K-On melegítjük, a lerakódási hőmérsékletet. A kémiai fürdőt melegítő-keverő lemezzel melegítették és keverték, hőmérsékletét pedig a kémiai fürdőbe helyezett Hg-hőmérővel mértük. A lerakódási hőmérséklet elérése után hozzáadjuk a tiokarbamidot, és megkezdődik a CdS-képződés. Minden egyes Ito szubsztrátot 10, 20, 30, 40 és 50 perc elteltével egyenként eltávolítottunk a kémiai fürdőből, majd azonnal desztillált vízzel ultrahangos tisztítóba öblítettük. Mindkét felületfelületen halványsárga CdS-fóliákat kaptunk, és az üvegfelületet 10% – os HCl-oldattal megtisztítottuk, hogy eltávolítsuk a CdS-fóliát erről az arcról.

a szárított filmek felületi morfológiáját atomi erőmikroszkópos (AFM) technikával (CP Autoprobe) képeztük. A sávrés energiáját StellarNet EPP2000 spektrofotométerrel kapott spektrális adatokból számítottuk ki az ultraibolya látható tartományban (200-850 nm hullámhossz) egy speciális adaptációval, amelyet laboratóriumunkban készítettünk szilárd minták elemzésére. Az ITO spektrumot referenciaként használják annak kiküszöbölésére a CDS film sávrésében. A CdS fóliák vastagságát Dektak 8 profilmérővel mértük, miután a HCl oldattal egy lépést képeztünk a film sarokban.

IV. Eredmények

a 2. ábra a kapott filmvastagságot és a megfelelő sávrés-energiát mutatja a lerakódási idő függvényében az 1., 2., 3. és 5. kísérletnél.

a 4.kísérletben rendkívül lassú volt a lerakódás, a 6. kísérletben pedig nem volt lerakódás. Lehetőség van megfigyelni (ábra. 2a), hogy az 1 kísérletnél a lerakódás sebessége a leggyorsabb az elején, de nagyon hamar lassabbá válik. Másrészt a 2 Kísérlet az első rész során lassú lerakódást mutat, amelyet egy jó sebességű lerakódás követ, amely az összes vizsgálat között a legvastagabb fóliát adja. A 3.és 5. Kísérlet lassú lerakódást mutatott a CBD első 50 percében. Szintén Ábra. A 2B lehetővé teszi a kinetikai különbségek megtekintését mindkét kísérlet között a számított sávrés energia felhasználásával. A 2.és 3. kísérletben az első filmeknél nagyobb (10-20 perc) sávrés-energia értékeket mutatunk, a bezártság hatásával összefüggő kis mért vastagság miatt. Ezt követően a sávrés értékei hasonlóak a tipikus eredményekhez 2,4 eV közelében. Az 1.és 2. kísérletek közötti különbségek arra engednek következtetni, hogy nemcsak a lerakódás sebességét, hanem a film minőségét is meg lehet változtatni a fürdő pH-jának megváltoztatásával. Pontosabb különbségeket lehetett látni, amikor nagyobb változások történtek a kémiai összetételben, amint azt a II. táblázat mutatja.

a 2., 3. és 4. Kísérlet megmutatja, mennyire fontos az ammóniumkoncentráció hasonló pH-értékeken. E három kísérlet közül a 3-as szám a legalacsonyabb ammóniumkoncentrációval rendelkezik, és a lerakódás lassabb kinetikáját követi, mint a 2.Kísérlet: az 50 perc után a vastagság kisebb volt a 3. kísérletben lévő film esetében a 2. kísérlethez képest, de a sávrés energiája hasonló értékeket ér el. A 4. kísérletben viszont nagyobb az ammóniumkoncentráció, és a lerakódás kinetikája a leglassabb. A végső vastagság lényegesen alacsonyabb, és a sávrés energiájának hasonló értékét csak 90 perces lerakódás után érték el.

az 5. és 6.Kísérlet érdekes eredményeket ad a pH alapértékeihez. amikor az 5. kísérletben magas ammóniumkoncentrációt alkalmaztunk, a lerakódás gátlása az első percektől kezdve, közvetlenül egy vékony film lerakódása után, változatlan morfológiával és hasonló sávréssel történt. A 6.kísérletnél azonban, amelyben alacsony ammóniumkoncentrációt alkalmaztak, a film lerakódását teljesen gátolták. Fontos megjegyezni, hogy ebben a két kísérletben az oldat színe a tiokarbamid hozzáadása után azonnal sárgára változott, bár a lerakódást a reakció első percei óta gátolták.

a CDS-filmek néhány tipikus felületi morfológiai képe 20 perc lerakódás után az ábrán látható. 3 az AFM technikával kapott módon. Ezeket a képeket tíz percenként készítették a hat kísérlethez. A 4.és 6. Kísérlet képei nem mutattak jelentős lerakódást.

megfigyelhető, hogy a kémiai fürdő pH-jának és pNH3-értékének kismértékű változása esetén a lerakódás kinetikája és a CdS-filmek megfelelő minősége az anyagalkalmazások szükségleteinek megfelelően vezérelhető. Az a terület körül az ábrán. 1, amelyben magas ammóniumkoncentrációk vannak jelen, van egy nagyon lassú lerakódási sebességű zóna, amely azt jelzi, hogy negatív hatással van a reakció mechanizmusára. A b terület közelében, bár a lerakódás aránya is csökken, egy fő kontroll lehetővé teszi a film tulajdonságainak enyhe variációinak meghatározását; ebben a zónában a átalakítása nem problémás lépés a teljes folyamat szempontjából. Végül a G és d területek közelében a kadmium-hidroxidok képződése drámai példát mutat, amelyben a CdS-filmek lerakódása teljesen gátolt.

V. Következtetés

nagy különbségeket találtunk a filmek mért jellemzőiben az egyes kémiai fürdőállapotok között, így az oldat pH-ja és pNH3 kulcsszerepet játszik. Különböző sebességű lerakódások, azaz különböző filmminőségek érhetők el az oldat kémiai koncentrációjának kisebb változásaival. Ezek az eredmények érdekesek lehetnek a CdTe/CdS/ITO napelemek optikai ablaktervezésénél, mivel lehetővé teszik a lerakódott CdS fóliák vastagságának és sebességének szabályozását. Ennek megfelelően az eredményekkel kompromisszum áll fenn az ammóniumkoncentrációk és a pH-értékek között a megfelelő CDs-Fóliázás érdekében. Ajánlott elkerülni: (i) több alapvető pH-értéket, ha az ammóniumkoncentráció alacsony, vagy (ii) magas ammóniumkoncentráció alacsonyabb pH-értékekkel. alacsony ammóniumkoncentráció lehetséges kevesebb bázikus oldattal, és magas ammóniumkoncentráció megengedett nagyobb pH-értékekkel. A köztes pH-értékek (kb. 11) és az ammóniumkoncentráció (kb. 0,2 M) gyors lerakódást eredményeznek. Ennek ellenére a filmek minőségének javítása érdekében lassabb arányokat ajánlunk. További kísérleteket terveznek, hogy részletesebben elemezzék ezeket a hatásokat a CdS alkalmazásokban, különös tekintettel a pH=10 és a pNH3=0,4 m körüli zónára.

elismerés

ezt a munkát a Conacyt (M) támogatta a 38480-e projekten keresztül. a szerzők köszönetet mondanak Oscar Ceh-nek és Emilio Coronának technikai segítségükért. J. J. Chang, C. L. Munsee, G. S. Herman, J. F. Wager, P. Mugdur, D. H. Lee és C. H. Chang, Surf. Interfész Anális. 37, 398 (2005).

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

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

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

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

A. Maldonado, R. Asomoza, J. Canetas-Ortega, E. P. Zironi, R. Hern Xhamndez, R. Pati, és O. Solorza-Feria, napenergia anyagok & napelemek 57, 331 (1999).