oppervlakken, INTERFACES, en dunne FILMS

analyse van het chemische bad en het effect ervan op de fysische eigenschappen van CdS/Ito dunne films

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

Centrum voor onderzoek en geavanceerde Studies van de IPN-eenheid Merida, Department of Applied Physics. AP. 73-Cordemex, 97310 Mérida Yucatán, Mexico

ABSTRACT

Cadmiumsulfide (CdS) dunne films die op indiumtinoxide (ITO) – substraten worden afgezet, werden bereid met de chemische afzetting in Bad bij verschillende waarden van pH en pNH3. Dit werd gedaan om de invloed van de aanvankelijke chemische samenstelling van het bad op sommige fysische eigenschappen van de definitieve CD-films, gebruikt als optische vensters voor zonnecellen te analyseren. Het in de literatuur voorgestelde mechanisme voor deze depositie omvat het tetra-ammonium cadmium(II) complex, Cd (NH$_{3})_{4}^{2+}$, aan het begin van de reactie. Na dit mechanisme, de verandering in de concentratie van Cd(NH$_{3})_{4}^{2+}$ geeft een variatie in de depositiesnelheid met de overeenkomstige wijziging in de kwaliteit van de film. Daarom werd het diagram van de predominantiezone van Cd2 + – soorten in oplossing als functie van de waarden van pH en pNH3 gebruikt om de redenen te analyseren waarom de CDS/Ito-dunne films in slechts een klein bereik van ammonium-en hydroxideconcentraties worden begunstigd. Om nuttige films te verkrijgen, toonden de resultaten aan dat lage ammoniumconcentraties bij hoge pH-waarden en hoge ammoniumconcentraties bij lagere pH-waarden moeten worden vermeden.

trefwoorden: chemische badanalyse; Cadmiumsulfide; Halfgeleiderfilm; Predominantiediagrammen

I. inleiding

Cadmiumsulfide (CdS) is een uitstekend materiaal dat met de halfgeleider cadmiumtelluride wordt gebruikt om zonnecellen te fabriceren, gezien de optimale band gap-energie (2,42 eV) voor optische vensters . Chemical bath deposition (CBD) is een geëxperimenteerde en veel gebruikte techniek in de industrie en in het onderzoeksgebied voor CD ‘ s dunne films depositie door de snelle, eenvoudige en goedkope methode . De samenstelling van het chemische bad en de kinetiek van de depositie zijn in de literatuur zo gerapporteerd dat nu zeer bekende functionele recepten gewoonlijk worden gebruikt voor de bereiding van CD-films, afhankelijk van de chemische verbindingen die voor de productie van Cd-en S-ionen zijn geselecteerd. In het traditionele recept wordt een cadmiumzout opgelost in een basisammoniumoplossing, geroerd en verhit tijdens thioureumtoevoeging, waardoor de filmdepositie op indiumdunne oxide (ITO) oppervlakken over glas begint. Op deze manier zijn verschillende inspanningen geleverd om de temperatuur, de concentratie van chemische componenten, de pH en de snelheid en het type van het bad te veranderen. Hoewel de kinetiek van depositie is gerapporteerd, zijn studies naar de fysische eigenschappen van de CDS-films als functie van de chemische badconcentratie in de literatuur schaars. Een belangrijke eis van de CDS-films voor zonneceltoepassingen is het gladde oppervlak en de kleine hoeveelheid hillocks die na bereiding op het oppervlak worden geproduceerd, toegevoegd aan de optimale dikte voor een betere functionaliteit. In dit werk geeft een analytische studie van de overheersende cadmiumsoorten, afhankelijk van NH3 – en OH-concentraties, optimale omstandigheden van de chemische samenstelling om verschillende kwaliteiten op de gedeponeerde films te bereiken.

II. theorie

de invloed van pH en NH3 op de stabiliteit van verschillende Cd2 + – soorten in oplossing is algemeen bekend. De cadmiumionen (II) vormen een verscheidenheid aan complexen met ammonium en hydroxide, volgens de volgende vergelijking:

aangezien bn,L de stabiliteitsconstante van de overeenkomstige reactie is. De complexen kunnen worden gevormd met het hydroxide-ion (L = OH -, n = 1 tot 4), het ammonium (L = NH3, n = 1 tot 6), en zelfs met thioureum (L = SC(NH2) 2, n = 1 tot 4), hoewel deze laatste complexen minder stabiel zijn en normaal gesproken niet worden beschouwd als interfereren met het mechanisme van reactie en afzetting van de film . Volgens dit mechanisme wordt het complex aan het oppervlak geadsorbeerd als Cd(OH)2 alvorens met thioureum te reageren om de CDS-film te vormen. Als de kinetiek van depositie wordt gewijzigd, is het mogelijk om de fysische eigenschappen van de CDS-films te veranderen. Een redelijke manier om deze variaties aan te drijven is door pH-en pnh3-veranderingen om de relatieve cadmiumsoorten in oplossing te testen, met inachtneming van de stabiliteitsconstanten. Dit kan gemakkelijk worden gevisualiseerd gebruikend de diagrammen van de overwichtzone, die zijn getest om nuttig in Analytische chemie te zijn . Volgens deze methode van “generalized species and equilibrium”werden de stabiliteitsconstanten gerapporteerd bij kamertemperatuur gebruikt om de chemische zone te detecteren waarin overheerst als benadering van de omstandigheden bij de depositietemperatuur. Meer details om dit diagram te verkrijgen zijn elders te vinden . Dus, Fig. 1 is het diagram dat wordt verkregen voor Cd(II) – soorten in oplossing als functie van pH en pNH3, waarbij het oppervlak wordt weergegeven waar het complex aanwezig is in concentraties van meer dan 50% van de totale Cd(II) in oplossing. De lijnen definiëren de specifieke zones waar de aanwezig is voor de helft van de concentratie van de cadmiumsoorten. De oppervlakken rond deze zone zijn die welke verband houden met andere overheersende cadmiumsoorten in oplossing: gebied A staat voor , gebied b Voor , gebied g voor en gebied d Voor .

de randlijnen zijn afgeleid van de stabiliteitsconstanten en veranderen met de temperatuur; het diagram kan echter nuttig zijn voor de analyse van de invloed van pH en pNH3 op de kwaliteit van gedeponeerde films. In dit werk wordt een variatie van de pH-en pnh3-beginomstandigheden getest om de fysische eigenschappen van de door CBD gedeponeerde CDs-films te begrijpen. De genummerde punten in de Fig. (‘) De zes experimentele omstandigheden die worden gebruikt om cds-films in de optimale zone te deponeren voor een vaste hoeveelheid cadmium en thioureum.

III. experimentele

CD ‘ s werden bereid onder verschillende chemische badomstandigheden rond de vastgestelde optimale zone (d.w.z. verschillende pH-waarden en ammoniumconcentraties). Elk chemisch bad werd verkregen door het mengen van vier afzonderlijke oplossingen: 20 ml 0,02 M cadmiumchloride, 20 ml ammoniumnitraat (3.3, 3.1, 2.2, 5.5, 5.5 en 1,8 m, respectievelijk), 50 ml kaliumhydroxide (1.3, 1.2, 0.8, 2.1, 2.1 en respectievelijk 0,7 M) en 20 ml 0,2 m thioureum. De eerste chemische concentraties in het depositie-bad na het mengen van de afzonderlijke oplossingen zijn vermeld in Tabel I. gezien werden de concentraties cadmium chloride en thioureum niet van proef tot proef gevarieerd. De pH werd bepaald met een digitale ph-meter en de pNH3 werd ongeveer berekend. Tijdens de afzetting werden de magnetische roering en de badtemperatuur, T = 348 ± 2 K, constant gehouden.

CD – films werden gedeponeerd op Ito/glas substraten van Delta Technologies (Rs = 10 ± 2 W, 200 nm dik en 2,53 x 10-6 W·M als elektrische weerstand). Vóór de depositie werden Ito-substraten gereinigd met zeep, trichloorethyleen, aceton en isopropylalcohol, waarbij tussen elke fase volgens een standaardmethode met gedestilleerd water werd gespoeld. Voor elk experiment worden vijf ITO-substraten ondergedompeld in het chemische bad met cadmiumchloride, ammoniumnitraat en kaliumhydroxide. Vervolgens wordt het bad verwarmd op 348 K, de afzetting temperatuur. Het chemisch bad werd verwarmd en geroerd met een verwarmer-roerplaat en de temperatuur werd gemeten met een Hg-thermometer in het chemisch bad. Nadat de depositietemperatuur is bereikt, wordt het thioureum toegevoegd en begint de CdS-vorming. Elk Ito-substraat werd na 10, 20, 30, 40 en 50 minuten één voor één uit het chemische bad verwijderd en onmiddellijk met gedestilleerd water in een ultrasone reiniger gespoeld. Op beide substraatvlakken werden lichtgele CDs-films verkregen en het glasoppervlak werd gereinigd met een 10% HCl-oplossing om de CDS-film van deze zijde te verwijderen.

De oppervlaktemorfologie van de gedroogde films werd afgebeeld met de atomic force microscopy (AFM) techniek (CP Autoprobe). De band gap energie werd berekend op basis van spectrale gegevens verkregen met een StellarNet epp2000 spectrofotometer in het ultraviolet-zichtbare bereik (van 200 tot 850 nm golflengte) met behulp van een speciale aanpassing gemaakt in ons laboratorium voor de analyse van vaste monsters. Het Ito-spectrum wordt gebruikt als referentie om het effect ervan in de bandkloof van de cd-film te elimineren. De dikte van CD-films werd gemeten met behulp van een dektak 8 profielmeter na het vormen van een stap in de filmhoek met de HCl-oplossing.

IV. Resultaten

Figuur 2 toont de verkregen laagdikte en de overeenkomstige band gap energie als functie van de depositie tijd voor de experimenten 1, 2, 3 en 5.

Experiment 4 had een extreem langzame depositie en experiment 6 had geen depositie. Kan worden (vijg waargenomen. 2a) dat de depositiesnelheid voor experiment 1 in het begin het snelst is, maar zeer snel langzamer wordt. Aan de andere kant toont experiment 2 een langzame depositie tijdens het eerste deel, gevolgd door een goede depositie die de dikste film tussen alle tests geeft. Experimenten 3 en 5 toonden een langzame depositiesnelheid gedurende de eerste 50 minuten van het CBD. Ook Fig. 2b staat toe het zien van de kinetische verschillen tussen beide experimenten met behulp van de berekende band gap energie. Experimenten 2 en 3 tonen grotere waarden van de band gap energie voor de eerste films (10-20 min) als gevolg van de kleine gemeten dikte gerelateerd aan het opsluitingseffect. Daarna, band gap waarden zijn vergelijkbaar met de typische resultaten in de buurt van 2,4 eV. De verschillen tussen experimenten 1 en 2 maken het mogelijk om te concluderen dat het mogelijk is om niet alleen de snelheid van de depositie, maar ook de filmkwaliteit te veranderen door een verandering van pH in het bad. Meer precieze verschillen konden worden gezien wanneer grotere veranderingen werden aangebracht in de chemische samenstelling, zoals blijkt uit tabel II.

experimenten 2, 3 en 4 geven aan hoe belangrijk de ammoniumconcentratie is bij vergelijkbare pH-waarden. Van deze drie experimenten heeft het getal 3 de laagste ammoniumconcentratie en volgt een tragere kinetiek van depositie dan experiment 2: De dikte na 50 min was kleiner voor de film in experiment 3 in vergelijking met experiment 2, maar de band gap energie bereikt vergelijkbare waarden. Experiment 4, daarentegen, heeft een grotere ammoniumconcentratie en had de traagste kinetiek van depositie. De uiteindelijke dikte is aanzienlijk lager en een vergelijkbare waarde van band gap energie werd bereikt pas na 90 minuten van depositie.

experimenten 5 en 6 geven interessante resultaten voor meer basiswaarden van de pH. wanneer in experiment 5 een hoge ammoniumconcentratie werd gebruikt, werd een remming van de depositie gevonden sinds de eerste minuten, net nadat een dunne laag werd afgezet met een onveranderde morfologie en een vergelijkbare bandafstand. Bij experiment 6, waarbij een lage ammoniumconcentratie werd gebruikt, werd de afzetting van de film echter volledig geremd. Het is belangrijk om te zeggen dat in deze twee experimenten de kleur van de oplossing onmiddellijk na de toevoeging van thioureum in geel veranderde, hoewel de depositie sinds de eerste minuten van reactie werd geremd.

enkele typische oppervlaktemorfologische afbeeldingen van CDS-films na 20 min depositie zijn weergegeven in Fig. 3 volgens de AFM-techniek. Deze beelden werden genomen voor de zes experimenten om de tien minuten. Afbeeldingen voor de experimenten 4 en 6 lieten geen significante depositie zien.

bij geringe variaties in de pH-en de pnh3-waarden van het chemische bad kan worden opgemerkt dat de kinetiek van de depositie en de overeenkomstige kwaliteit van de CDS-films kunnen worden gestuurd in overeenstemming met de behoeften van de materiaaltoepassingen. Rond gebied a in Fig. 1, waarin hoge concentraties ammonium aanwezig zijn, is er een zone met zeer langzame depositie, wat aangeeft dat een negatieve invloed hebben op het reactiemechanisme. Nabij gebied b, hoewel de depositie ook afneemt, is een belangrijke controle toegestaan om lichte variaties in de filmeigenschappen te definiëren; in deze zone is de conversie van naar geen problematische stap voor het totale proces. Ten slotte geeft de vorming van cadmiumhydroxiden in de buurt van de gebieden g en d een dramatisch voorbeeld, waarbij de afzetting van CDS-films Volledig wordt geremd.

V. Conclusie

Er werden grote verschillen gevonden in de gemeten kenmerken van de films tussen elke chemische badconditie, zodat de pH en pNH3 van de oplossing een sleutelrol spelen. Bij geringe veranderingen in de chemische concentratie van de oplossing kunnen verschillende depositie-d.w.z. verschillende filmkwaliteiten-worden bereikt. Deze resultaten kunnen interessant zijn voor het optische vensterontwerp van de CdTe/CdS/Ito zonnecellen, gezien de mogelijkheid om de dikte en snelheid van de gedeponeerde CD-films te regelen. Op grond van de resultaten is er een compromis tussen ammoniumconcentraties en pH-waarden voor een adequate CdS-filmdepositie. Aanbevolen wordt om: (i) meer basiswaarden van de pH te vermijden wanneer de ammoniumconcentratie laag is, of (ii) hoge ammoniumconcentraties met lagere pH-waarden. lage ammoniumconcentraties zijn mogelijk met minder basisoplossingen en hoge ammoniumconcentraties zijn toegestaan bij grotere pH-waarden. Tussenliggende waarden van pH (ongeveer 11) en ammoniumconcentratie (ongeveer 0,2 M) geven snelle afzettingen. Om de kwaliteit van de films te verbeteren, worden echter tragere tarieven aanbevolen. Er zijn verdere experimenten gepland om deze effecten op CdS-toepassingen meer in detail te analyseren, waarbij met name de zone rond pH=10 en pNH3=0,4 m

Erkenning

Dit werk werd ondersteund door Conacyt (México) via project 38480-E. auteurs dank aan Oscar Ceh en Emilio Corona voor hun technische hulp. Y. J. Chang, C. L. Munsee, G. S. Herman, J. F. Wager, P. Mugdur, D. H. Lee, and C. H. Chang, Surf. Interface Anaal. 37, 398 (2005). A. Arias-Carbajal Reádigos, V. M. Garcia, O. Gomezdaza, J. Campos, M. T. S. Nair, en P. K. Nair, Semicond. 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, and O. Solorza-Feria, Solar Energy Materials & Solar Cells 57, 331 (1999).