ytor, gränssnitt och tunna filmer

analys av det kemiska badet och dess effekt på de fysikaliska egenskaperna hos CdS/ito thin films

S. Herrera, C. M. Ramos, R. Pati Merida, Institutionen för tillämpad fysik. AP. 73-Cordemex, 97310 m Aci-rida Yucat Aci-n, Mexiko

abstrakt

Kadmiumsulfid (CDs) tunna filmer avsatta på indiumtennoxid (ito) substrat framställdes genom kemisk badavsättningsteknik vid olika värden av pH och pNH3. Detta gjordes för att analysera påverkan av badets ursprungliga kemiska sammansättning på vissa fysikaliska egenskaper hos de slutliga CdS-filmerna, som används som optiska fönster för solceller. Mekanismen som föreslås i litteraturen för denna avsättning innefattar tetraammoniumkadmium (II) – komplexet, Cd (NH$_{3})_{4}^{2+}$, i början av reaktionen. Efter denna mekanism, förändringen i koncentrationen av Cd(NH$_{3})_{4}^{2+}$ ger en variation i deponeringshastigheten med motsvarande modifiering i filmens kvalitet. Därför användes övervägande zondiagrammet för Cd2 + – arter i lösning som en funktion av värdena för pH och pNH3 för att analysera orsakerna till att CdS/ito-tunna filmer gynnas i bara ett smalt intervall av ammonium-och hydroxidkoncentrationer. För att erhålla användbara filmer visade resultaten att låga ammoniumkoncentrationer måste undvikas vid höga pH-värden såväl som höga ammoniumkoncentrationer vid lägre pH-värden.

nyckelord: kemisk badanalys; Kadmiumsulfid; Halvledarfilm; övervägande diagram

I. Inledning

Kadmiumsulfid (CdS) är ett utmärkt material som används med halvledarkadmiumtellurid för att tillverka solceller med tanke på dess optimala bandgapsenergi (2.42 eV) för optiska fönster . Kemisk badavsättning (CBD) är en experimenterad och allmänt använd teknik inom branschen och inom forskningsområdet för CDS-tunnfilmsavsättning med den snabba, enkla och billiga metoden . Sammansättningen av det kemiska badet och kinetiken för deponering har rapporterats i litteraturen så att nu mycket kända funktionella recept normalt används för CDS-filmberedning beroende på de kemiska föreningar som valts för Cd-och S-jonproduktionen. I det traditionella receptet löses ett kadmiumsalt i en basisk ammoniumlösning, omrörs och upphettas under tillsats av tiourea, vilket startar filmavsättningen på indium tunn oxid (ITO) ytor över glas. Flera ansträngningar har gjorts på detta sätt ändra temperatur, koncentration av kemiska komponenter, pH, och hastighet och typ av bad agitation. Även om kinetiken för deponering har rapporterats, studier av de fysikaliska egenskaperna som uppnåtts på CdS-filmerna som en funktion av den kemiska badkoncentrationen är knappa i litteraturen. Ett viktigt krav för CdS-filmerna för solcellsapplikationer är den släta ytan och den mindre mängden kullar som produceras på ytan efter beredning, tillsatt till optimal tjocklek för bättre funktionalitet. I detta arbete ger en analytisk studie av de dominerande kadmiumarterna beroende på NH3 – och OH-koncentrationer optimala förhållanden för den kemiska sammansättningen för att uppnå olika kvaliteter på de deponerade filmerna.

II. teori

det är välkänt påverkan av pH och NH3 i stabiliteten hos olika Cd2 + – arter i lösning. Kadmium (II) joner bildar en mängd komplex med ammonium och hydroxid, enligt följande ekvation:

är bn,L stabilitetskonstanten för motsvarande reaktion. Komplexen kan bildas med hydroxidjonen (L = OH – , n = 1 till 4), ammonium (L = NH3, n = 1 till 6) och även med tiourea(L = SC (NH2)2, n = 1 till 4), även om dessa sista komplex är mindre stabila och normalt anses de inte störa mekanismen för reaktion och avsättning av filmen . Enligt denna mekanism adsorberas komplexet I ytan som Cd(OH)2 innan det reagerar med tiourea för att bilda CdS-filmen. Om kinetiken för deponering modifieras är det möjligt att ändra de fysikaliska egenskaperna hos CdS-filmerna. Ett rimligt sätt att driva dessa variationer är genom pH-och pNH3-förändringar för att testa de relativa kadmiumarterna i lösning, enligt stabilitetskonstanterna. Detta kan lätt visualiseras med hjälp av övervägande zondiagram, som har testats för att vara användbara i analytisk kemi . Enligt denna metod för generaliserad Art och jämvikt användes stabilitetskonstanterna rapporterade vid rumstemperatur för att detektera den kemiska zonen där dominerar som en approximation till förhållandena vid deponeringstemperaturen. Mer information för att få detta diagram finns någon annanstans . Således Fig. 1 är diagrammet erhållet för Cd (II) arter i lösning som en funktion av pH och pNH3, som visar ytan där komplexet finns i koncentrationer över 50% av den totala Cd(II) i lösning. Linjerna definierar de specifika zoner där är närvarande för halva koncentrationen av kadmiumarten. Ytorna runt denna zon är de som är relaterade till andra dominerande arter av kadmium i lösning: området A är för , Området b är för , området g är för och området d är för .

gränslinjerna härleds från stabilitetskonstanterna och ändras med temperaturen; diagrammet kan emellertid vara användbart för analys av påverkan av pH och pNH3 på kvaliteten på deponerade filmer. I detta arbete testas en variation av pH-och pnh3-initialförhållandena för att förstå de fysikaliska egenskaperna hos CdS-filmerna som deponeras av CBD. De numrerade punkterna i Fig. 1 representerar de sex experimentella förhållandena som används för att deponera CdS-filmer i den optimala zonen för en fast mängd kadmium och tiourea.

III. experimentella

CdS-filmer framställdes under olika kemiska badförhållanden runt den bestämda optimala zonen (dvs. olika pH-värden och ammoniumkoncentrationer). Varje kemiskt bad erhölls genom att blanda fyra individuella lösningar: 20 ml 0,02 m kadmiumklorid, 20 ml ammoniumnitrat (3.3, 3.1, 2.2, 5.5, 5.5 respektive 1,8 M), 50 ml kaliumhydroxid (1.3, 1.2, 0.8, 2.1, 2.1 respektive 0,7 M) och 20 ml 0,2 m tiourea. De initiala kemiska koncentrationerna i deponeringsbadet efter blandning av de enskilda lösningarna anges i tabell I. Som sett varierade inte kadmiumklorid-och tioureakoncentrationerna mellan experimenten. PH bestämdes med en digital pH-mätare och pNH3 beräknades ungefär. Under avsättning hölls magnetisk agitation och badtemperatur, T = 348 2 K i 2 K, konstant.

CdS – filmer avsattes på ito/glassubstrat från Delta Technologies (Rs = 10 2 W, 200 nm tjock och 2,53 x 10-6 W·M som elektrisk resistivitet). Före avsättning rengjordes ito-substrat med tvål, trikloretylen, aceton och isopropylalkohol, sköljning med destillerat vatten mellan varje steg, enligt en standardmetod. För varje experiment nedsänks fem ito-substrat i det kemiska badet med kadmiumklorid, ammoniumnitrat och kaliumhydroxid. Därefter upphettas badet vid 348 K, avsättningstemperaturen. Det kemiska badet upphettades och omrördes med en värmare-omrörarplatta och dess temperatur mättes med en Hg-termometer belägen i det kemiska badet. Efter att deponeringstemperaturen har uppnåtts tillsätts tiourea och CdS-bildningen startar. Varje ito-substrat avlägsnades från det kemiska badet en efter en efter 10, 20, 30, 40 och 50 min och sköljdes omedelbart med destillerat vatten till en ultraljudsrengörare. Blekgula CdS-filmer erhölls på båda substratytorna och glasytan rengörs med en 10% HCl-lösning för att eliminera CdS-filmen från detta ansikte.

ytmorfologin hos de torkade filmerna avbildades med atomkraftsmikroskopi (AFM) – tekniken (CP Autoprobe). Bandgapenergin beräknades från spektraldata erhållna med en stellarnet epp2000 spektrofotometer i det ultravioletta synliga området (från 200 till 850 nm våglängd) med hjälp av en speciell anpassning gjord i vårt laboratorium för analys av fasta prover. Ito-spektrumet används som referens för att eliminera dess effekt i bandgapet på CdS-filmen. Tjockleken på CdS-filmer mättes med användning av en Dektak 8 profilmätare efter att ha bildat ett steg i filmhörnet med HCl-lösningen.

IV. Resultat

Figur 2 visar den erhållna filmtjockleken och motsvarande bandgapsenergi som en funktion av deponeringstiden för experimenten 1, 2, 3 och 5.

Experiment 4 hade en extremt långsam deponering och experiment 6 hade ingen deponering. Det är möjligt att observera (Fig. 2a) att deponeringsgraden för experimentet 1 är den snabbaste i början men blir långsammare mycket snart. Å andra sidan visar experimentet 2 en långsam avsättning under den första delen, följt av en bra avsättning som ger den tjockaste filmen mellan alla tester. Experiment 3 och 5 visade långsamma deponeringshastigheter under alla de första 50 minuterna av CBD. Också Fig. 2b gör det möjligt att se de kinetiska skillnaderna mellan båda experimenten med hjälp av den beräknade bandgapenergin. Experiment 2 och 3 visar större värden på bandgapsenergin för de första filmerna (10-20 min) på grund av den lilla uppmätta tjockleken relaterad till inneslutningseffekten. Därefter liknar bandgapvärdena de typiska resultaten nära 2,4 eV. Skillnaderna mellan experimenten 1 och 2 tillåter slutsatsen att det är möjligt att ändra inte bara deponeringshastigheten utan även filmkvaliteten genom en förändring av pH i badet. Mer exakta skillnader kunde ses när större förändringar gjordes i den kemiska sammansättningen, som visas i tabell II.

Experiment 2, 3 och 4 ger hur viktigt är ammoniumkoncentrationen vid liknande värden av pH. Av dessa tre experiment, antalet 3 har den lägsta ammoniumkoncentrationen och följer en långsammare kinetik av nedfall än experiment 2: tjockleken efter 50 min var mindre för filmen i experiment 3 jämfört med experiment 2, men bandet gap energi når liknande värden. Experiment 4 har å andra sidan en större ammoniumkoncentration och hade den långsammaste kinetiken för deponering. Den slutliga tjockleken är signifikant lägre och ett liknande värde av bandgapsenergi uppnåddes först efter 90 min avsättning.

experiment 5 och 6 ger intressanta resultat för mer grundläggande värden på pH. när en hög ammoniumkoncentration användes i experiment 5 hittades en hämning av avsättningen sedan de första minuterna, strax efter att en tunn film deponerades med oförändrad morfologi och liknande bandgap. För experiment 6, där en låg ammoniumkoncentration användes, hämmades emellertid avsättningen av filmen helt. Det är viktigt att säga att i dessa två experiment ändrades lösningens färg till gul omedelbart efter tillsatsen av tiourea, även om avsättningen hämmades sedan de första minuterna av reaktionen.

några typiska ytmorfologiska bilder av CdS-filmer efter 20 min avsättning visas i Fig. 3 som erhållits genom AFM-tekniken. Dessa bilder togs för de sex experimenten var tionde minut. Bilder för experimenten 4 och 6 visade ingen signifikant deponering.

det är möjligt att observera att för små variationer i pH och pnh3-värdena för det kemiska badet kan kinetiken för deponering och motsvarande kvalitet hos CdS-filmerna drivas i enlighet med behoven hos materialtillämpningarna. Runt område a i Fig. 1, där höga koncentrationer av ammonium är närvarande, finns en zon med mycket långsamma avsättningshastigheter, vilket indikerar att har ett negativt inflytande i reaktionsmekanismen. Nära område b, även om avsättningen också minskar, tillåts en större kontroll att definiera små variationer i filmegenskaperna; i denna zon är omvandlingen av till inte ett problematiskt steg för den totala processen. Slutligen, nära områdena g och d, ger bildandet av kadmiumhydroxider ett dramatiskt exempel där avsättningen av CdS-filmer hämmas helt.

V. Slutsats

stora skillnader hittades i de uppmätta egenskaperna hos filmerna mellan varje kemiskt badtillstånd så att lösningens pH och pNH3 spelar en nyckelroll. Olika hastighetsavsättningar, dvs olika filmkvaliteter, kan uppnås med mindre förändringar i lösningens kemiska koncentration. Dessa resultat kan vara intressanta för den optiska fönsterdesignen av CdTe/CdS/ito-solcellerna med tanke på möjligheten att kontrollera tjockleken och hastighetsavsättningen av de deponerade CdS-filmerna. Följaktligen med resultaten finns det en kompromiss mellan ammoniumkoncentrationer och pH-värden för en adekvat CDs-filmavsättning. Det rekommenderas att undvika: (i) mer grundläggande pH-värden när ammoniumkoncentrationen är låg, eller (ii) höga ammoniumkoncentrationer med lägre pH-värden. låga ammoniumkoncentrationer är möjliga med mindre basiska lösningar och höga ammoniumkoncentrationer tillåts med större pH-värden. Mellanvärden för pH (cirka 11) och ammoniumkoncentration (cirka 0,2 M) ger snabba avsättningar. Ändå rekommenderas långsammare priser för att förbättra kvaliteten på filmerna. Ytterligare experiment planeras för att analysera mer i detalj dessa effekter på CdS-applikationer, utforska speciellt zonen runt pH=10 och pNH3=0.4 M.

bekräftelse

detta arbete stöddes av Conacyt (m Exceptionico) genom projekt 38480-E. författare tackar Oscar Ceh och Emilio Corona för deras tekniska hjälp.

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

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

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

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

M. E. P. O.-Hern O. D., M. T. Ram O. D., A. Rojas-Hern O. D., Talanta 51, 107 (2000).

A. Maldonado, R. Asomoza, J. Canetas-Ortega, E. P. Zironi, R. Hern usci ndez, R. Pati usci och O. Solorza-Feria, Solenergimaterial & solceller 57, 331 (1999).