OVERFLATER, GRENSESNITT og TYNNE FILMER

Analyse av det kjemiske badet og dets effekt på De fysiske egenskapene Til CdS/ito tynne filmer

S. Herrera, C. M. Ramos, R. Pati ④o, Jl Peñ; W. Cauich; A. I. Oliva

Senter for Forskning og Avanserte Studier AV IPN-Enheten merida, institutt for anvendt fysikk. TILGANGSPUNKT. 73-Cordemex, 97310 Mé Yucatá, Mexico

ABSTRAKT

kadmiumsulfid (CdS) tynne filmer avsatt på indiumtinnoksid (ITO) substrater ble fremstilt ved kjemisk badavsetningsteknikk ved forskjellige verdier av pH og pNH3. Dette ble gjort for å analysere påvirkning av badets første kjemiske sammensetning på noen fysiske egenskaper av de endelige CdS-filmene, brukt som optiske vinduer for solceller. Mekanismen foreslått i litteraturen for denne avsetningen innebærer tetra-ammonium kadmium (II) kompleks, Cd (NH$_{3})_{4}^{2+}$, i begynnelsen av reaksjonen. Etter denne mekanismen endres Konsentrasjonen Av Cd (NH$_{3})_{4}^{2+}$ gir en variasjon i avsetningshastigheten med tilsvarende modifikasjon i kvaliteten på filmen. Derfor, overvekt sone diagram Av Cd2 + arter i løsning som en funksjon av verdiene av pH og pNH3 ble brukt til å analysere årsakene Til At CdS / ITO tynne filmer er favorisert i bare et smalt område av ammonium og hydroksid konsentrasjoner. For å oppnå nyttige filmer viste resultatene at lave ammoniumkonsentrasjoner må unngås ved høye pH-verdier, samt høye ammoniumkonsentrasjoner ved lavere pH-verdier.

Nøkkelord: Kjemisk bad analyse; Kadmium sulfid; Halvleder film; Overvekt diagrammer

I. INNLEDNING

Kadmium sulfide (CdS) er et utmerket materiale som brukes med halvleder kadmium telluride å dikte solceller gitt sin optimale bandet gap energi (2,42 eV) for optiske vinduer . Kjemisk badavsetning (CBD) er en eksperimentert og mye brukt teknikk i bransjen og i forskningsområdet For CdS tynne filmavsetning ved den raske, enkle og rimelige metoden . Sammensetningen av kjemisk bad og kinetikken av avsetning har blitt rapportert i litteraturen slik at nå svært kjente funksjonelle oppskrifter er normalt brukt For CdS filmer forberedelse avhengig av de kjemiske forbindelser som er valgt For Cd og s ioner produksjon. I den tradisjonelle oppskriften oppløses et kadmiumsalt i en grunnleggende ammoniumoppløsning, omrøres og oppvarmes under tiourea-tilsetning, som starter filmavsetningen på indium tynne oksid (ITO) overflater over glass. Flere forsøk har blitt gjort på denne måten å endre temperatur, konsentrasjon av kjemiske komponenter, pH, og hastighet og type bad agitasjon. Selv om kinetikken til avsetning er rapportert, er studier av de fysiske egenskapene oppnådd på CdS-filmene som en funksjon av kjemisk badkonsentrasjon knappe i litteraturen. Et viktig krav Til cds-filmene for solceller er den glatte overflaten og den mindre mengden bakker som produseres på overflaten etter forberedelse, lagt til optimal tykkelse for bedre funksjonalitet. I dette arbeidet gir en analytisk studie av de dominerende kadmiumartene avhengig AV NH3 og OH – konsentrasjoner optimale forhold for kjemisk sammensetning for å oppnå forskjellige kvaliteter på de avsatte filmene.

II. TEORI

det er velkjent påvirkning av pH og NH3 i stabiliteten til forskjellige Cd2 + – arter i oppløsning. Kadmium (II) ioner danner en rekke komplekser med ammonium og hydroksyd, i henhold til følgende ligning:

er bn, l stabilitetskonstanten av den tilsvarende reaksjonen. Kompleksene kan dannes med hydroksydion (L = OH -, n = 1 til 4), ammonium (L = NH3, n = 1 til 6) og til og med med tiourea(L = SC (NH2)2, n = 1 til 4), selv om disse siste kompleksene er mindre stabile og normalt anses de ikke å forstyrre reaksjonsmekanismen og avsetningen av filmen . I følge denne mekanismen adsorberes komplekset i overflaten Som Cd(OH)2 før det reagerer med tiourea for å danne CdS-filmen. Hvis kinetikken til deponering er endret, er Det mulig å endre De fysiske egenskapene Til CdS-filmene. En rimelig måte å drive disse variasjonene på er gjennom pH – og pNH3-endringer for å teste de relative kadmiumartene i oppløsning, i henhold til stabilitetskonstantene. Dette kan enkelt visualiseres ved hjelp av overvekt sone diagrammer, som har blitt testet for å være nyttig i analytisk kjemi . Ifølge denne metoden for generaliserte arter og likevekt ble stabilitetskonstantene rapportert ved romtemperatur brukt til å oppdage den kjemiske sonen der dominerer som en tilnærming til forholdene ved avsetningstemperaturen. Flere detaljer for a oppna dette diagrammet finnes andre steder . Dermed Fig. 1 er diagrammet oppnådd For Cd (II) arter i oppløsning som en funksjon av pH og pNH3, som viser overflaten der komplekset er tilstede i konsentrasjoner over 50% av den totale Cd (II) i oppløsning. Linjene definerer de spesifikke sonene der er tilstede for halvparten av konsentrasjonen av kadmiumartene. Overflatene rundt denne sonen er de som er relatert til andre dominerende arter av kadmium i løsning: området a er for , området b er for , området g er for og området d er for .

grenselinjene er avledet fra stabilitetskonstantene og endres med temperatur; diagrammet kan imidlertid være nyttig for analyse av påvirkning av pH og pNH3 på kvaliteten på deponerte filmer. I dette arbeidet testes en variasjon av ph og pNH3 innledende forhold for å forstå de fysiske egenskapene Til CdS-filmene deponert AV CBD. De nummererte punktene I Fig. 1 representerer de seks eksperimentelle forholdene som brukes til å deponere CdS-filmer i den optimale sonen for en fast mengde kadmium og tiourea. CDER-filmer ble fremstilt under forskjellige kjemiske badforhold rundt den bestemte optimale sonen (dvs . forskjellige pH-verdier og ammoniumkonsentrasjoner). Hvert kjemisk bad ble oppnådd ved å blande fire individuelle løsninger: 20 ml 0,02 m kadmiumklorid, 20 ml ammoniumnitrat (3.3, 3.1, 2.2, 5.5, 5.5 1,8 M, henholdsvis), 50 ml kaliumhydroksyd (1.3, 1.2, 0.8, 2.1, 2.1 og henholdsvis 0,7 M) og 20 ml 0,2 m tiourea. De første kjemiske konsentrasjonene i avsetningsbadet etter blanding av de enkelte oppløsningene er gitt I Tabell I. som sett var ikke kadmiumklorid-og tiourea-konsentrasjonene variert mellom forsøkene. PH ble bestemt med en digital pH-meter og pNH3 ble omtrent beregnet. Under avsetning ble magnetisk agitasjon og badetemperatur, T = 348 ± 2 K, holdt konstant.

Cd-filmer ble avsatt PÅ ito/glasssubstrater Fra Delta Technologies (Rs = 10 ± 2 W, 200 nm tykk og 2,53 x 10-6 W·m som elektrisk resistivitet). FØR avsetning BLE ITO-substrater rengjort med såpe, trikloretylen, aceton og isopropylalkohol, skylling med destillert vann mellom hvert trinn, i henhold til en standardmetode. For hvert eksperiment nedsenkes fem ITO-substrater i det kjemiske badet med kadmiumklorid, ammoniumnitrat og kaliumhydroksyd. Deretter oppvarmes badet ved 348 K, avsetningstemperaturen. Det kjemiske badet ble oppvarmet og omrørt med en varmevekslerplate og temperaturen ble målt med Et hg-termometer plassert i det kjemiske badet. Etter at avsetningstemperaturen er nådd, tilsettes tiourea og cds-formasjonen starter. HVERT ito-substrat ble fjernet fra det kjemiske badet en etter en etter 10, 20, 30, 40 og 50 min, og skylles straks med destillert vann til en ultralydrenser. Blekgule cds-filmer ble oppnådd på begge substratflater og glassoverflaten rengjøres med en 10% HCl-løsning for å eliminere CdS-filmen fra dette ansiktet. overflatemorfologien til de tørkede filmene ble avbildet med atomic force microscopy (AFM) teknikken (CP Autoprobe). Båndgapenergien ble beregnet fra spektraldata oppnådd med Et StellarNet EPP2000 spektrofotometer i det ultrafiolette synlige området (fra 200 til 850 nm bølgelengde) ved hjelp av en spesiell tilpasning laget i vårt laboratorium for analyse av faste prøver. Ito-spekteret brukes som referanse for å eliminere effekten i båndgapet I CdS-filmen. Tykkelsen På cds-filmer ble målt ved Å bruke En Dektak 8 profilmåler etter å ha dannet et trinn i filmhjørnet med HCl-løsningen.

IV. RESULTATER

Figur 2 viser filmtykkelsen som er oppnadd og den tilsvarende bandgapenergien som en funksjon av avsetningstid for forsokene 1, 2, 3 og 5.

Eksperiment 4 hadde en ekstremt langsom avsetning og eksperiment 6 hadde ingen avsetning. Det er mulig å observere (Fig. 2a) at avsetningshastigheten for forsøket 1 er den raskeste i begynnelsen, men blir langsommere veldig snart. På den annen side viser eksperiment 2 en langsom avsetning i første del, etterfulgt av en god rate avsetning som gir den tykkeste filmen mellom alle testene. Eksperimenter 3 og 5 viste langsomme avsetningshastigheter i løpet av alle DE første 50 minuttene AV CBD. Også Fig. 2b tillater å se de kinetiske forskjellene mellom begge forsøkene ved hjelp av den beregnede båndgapenergien. Eksperimenter 2 og 3 viser større verdier av båndgapenergien for de første filmene (10-20 min) på grunn av den lille målte tykkelsen relatert til inneslutningseffekten. Etter det er båndgapverdiene lik de typiske resultatene nær 2,4 eV. Forskjellene mellom eksperimenter 1 og 2 tillater konkludere med at det er mulig å endre ikke bare avsetningshastigheten, men også filmkvaliteten gjennom en endring av pH i badet. Mer presise forskjeller kan sees når større endringer ble gjort i den kjemiske sammensetningen, som vist I Tabell II.

Eksperimenter 2, 3 og 4 gir hvor viktig er ammoniumkonsentrasjonen ved tilsvarende verdier av pH. Av disse tre eksperimenter, tallet 3 har den laveste ammoniumkonsentrasjon og følger en langsommere kinetikk av avsetning enn eksperiment 2: tykkelsen etter 50 min var mindre for filmen i eksperiment 3 sammenlignet med eksperiment 2, men bandet gap energi når tilsvarende verdier. Eksperiment 4, derimot, har en større ammoniumkonsentrasjon og hadde den langsomste kinetikken av avsetning. Den endelige tykkelsen er betydelig lavere og en tilsvarende verdi av bandgapenergi ble nådd først etter 90 min avsetning. Eksperimenter 5 og 6 gir interessante resultater for mer grunnleggende verdier av pH. når en høy ammoniumkonsentrasjon ble brukt i eksperiment 5, ble det funnet en inhibering av avsetningen siden de første minuttene, like etter at en tynn film ble avsatt med uendret morfologi og lignende båndgap. Men for eksperiment 6, der en lav ammoniumkonsentrasjon ble brukt, ble avsetningen av filmen helt hemmet. Det er viktig å si at i disse to forsøkene endret fargen på løsningen til gul umiddelbart etter tilsetning av tiourea, selv om avsetningen ble hemmet siden de første minuttene av reaksjonen.

noen typiske overflate morfologi bilder Av CdS filmer etter 20 min av deponering er vist I Fig. 3 som oppnådd VED AFM-teknikken. Disse bildene ble tatt for de seks forsøkene hvert tiende minutt. Bilder for forsøkene 4 og 6 viste ingen signifikant avsetning.

Det er mulig å observere at for små variasjoner i pH-og pnh3-verdiene til det kjemiske badet, kan kinetikken til avsetning og tilsvarende kvalitet På CdS-filmene drives i samsvar med nødvendighetene til materialapplikasjonene. Rundt område a I Fig. 1, der høye konsentrasjoner av ammonium er tilstede, er det en sone med svært sakte avsetningshastigheter, noe som indikerer at har en negativ innflytelse i reaksjonsmekanismen. Nær område b, selv om rater deponering også avta, en stor kontroll er tillatt å definere små variasjoner i film egenskaper; i denne sonen, konvertering av til er ikke et problematisk trinn for den totale prosessen. Til slutt, nær områdene g og d, gir dannelsen av kadmiumhydroksider et dramatisk eksempel der avsetningen Av CdS-filmer er helt hemmet.

V. KONKLUSJON

Store forskjeller ble funnet i de målte egenskapene til filmene mellom hver kjemisk badtilstand slik at ph og pNH3 av løsningen spiller en nøkkelrolle. Ulike hastighetsavsetninger, dvs. forskjellige filmkvaliteter, kan oppnås med mindre endringer i løsningens kjemiske konsentrasjon. Disse resultatene kan være interessante for den optiske vindusdesignen Til CdTe/CdS / ITO solceller gitt muligheten til å kontrollere tykkelsen og hastigheten på CdS-filmene deponert. Følgelig med resultatene er det et kompromiss mellom ammoniumkonsentrasjoner og pH-verdier for en tilstrekkelig CdS – filmavsetning. Det anbefales å unngå: (i) mer grunnleggende verdier av pH når ammoniumkonsentrasjonen er lav, eller (ii) høye ammoniumkonsentrasjoner med lavere verdier av pH. Lave ammoniumkonsentrasjoner er mulig med mindre grunnleggende løsninger og høye ammoniumkonsentrasjoner er tillatt med større pH-verdier. Mellomverdier av pH (rundt 11) og ammoniumkonsentrasjon (rundt 0,2 M) gir raske avsetninger. Likevel anbefales langsommere priser for å forbedre kvaliteten på filmene. Ytterligere eksperimenter er planlagt å analysere mer detaljert disse effektene På CdS-applikasjoner, og utforske spesielt sonen rundt pH=10 og pNH3=0.4 M.

Bekreftelse

dette arbeidet ble støttet av Conacyt (Mé) gjennom prosjekt 38480-E. Forfattere takker Oscar Ceh og Emilio Corona for deres tekniske hjelp. det er en av de mest kjente og mest kjente av disse er Y. J. Chang, C. L. Munsee, G. S. Herman, J. F. Wager, P. Mugdur, D. H. Lee, Og C. H. Chang, Surf. Grensesnitt Anal. 37, 398 (2005).

A. Arias-Carbajal Reá, V. M. Det er en av de mest kjente artene i verden. Sci. Teknologi. 15, 1022 (2000).

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

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

M. E. Pá-Hern@ndez, M. T. Ramí, A. Rojas-Hern5ndez, Talanta 51, 107 (2000).

A. Maldonado, R. Asomoza, J. Canetas-Ortega, E. P. Zironi, R. Hern@ndez, R. Patiñ, Og O. Solorza-Feria, Solenergimaterialer & Solceller 57, 331 (1999).