CIGS薄膜太阳能电池缓冲层CdS薄膜的制备研究

何丽秋

（广西地凯光伏能源有限公司，广西贺州，530003）

CIGS薄膜太阳能电池缓冲层CdS薄膜的制备研究

何丽秋

（广西地凯光伏能源有限公司，广西贺州，530003）

目前CdS材料的制备方法有很多种，但是最常用的是化学水浴法。本文研究了浓度、反应溶液pH值、温度、沉积时间对CdS缓冲层薄膜的影响，对CIGS薄膜太阳能电池缓冲层CdS薄膜的制备方法进行了论述。

CIGS ；太阳能电池； CdS；综述

1　CdS薄膜的影响因素

CdS材料作为一种直接带隙的n型半导体，可以较好提高CIGS太阳能电池的性能，是目前CIGS太阳能电池使用率最高的材料。经研究分析，发现对该材料的制备产生影响的因素主要如下：

1.1浓度对CdS薄膜的影响。敖建平和孙云发表的《CIGS电池缓冲层CdS的制备工艺及物理性能》一文中，指出醋酸铵硫脲浓度对CdS薄膜的晶相沉积速度有着相关的联系。他们认为，当醋酸铵硫脲浓度逐渐增加时，对于薄膜立方相的生成是有利的，并且沉积速度和浓度的大小成正比例增长。

方小红等人所写的《薄膜的化学水浴法制备及其性能表征》一文对制备CdS薄膜时所发生的化学反应以及反应机理进行了深入的讨论和分析，根据研究的结果发现，氨水浓度对CdS薄膜是有着较为明显的影响。文章指出，当氨水浓度处在一个比较适中的位置时，NH 3浓度和OH-浓度则往往也是比较平衡的，异质成核优于同质成核，而且产生的化学反应速度也较为快一些，薄膜质量也相对较为优质。

1.2反应溶液pH值对CdS薄膜的影响。张险峰，张弓等发表的《溶液pH值对化学浴沉积CdS薄膜性能的影响》一文中，对反应溶液pH值对CdS薄膜的影响进行了深入的分析。根据他们的研究成果显示，反应溶液pH值能对CdS薄膜产生影响。根据他们的研究内容表明溶液中硫脲的分解速度和络合剂的络合能力都受到反应溶液pH值的影响，并且指出反应溶液pH值为11.6的时候，CdS薄膜的精密度是处在最高水平的。

崔岩等人所发表的《pH值CBD-CdS薄膜性能的影响》一文中指出：当反应溶液pH值在8.43-10.09之间时，发现当反应溶液pH值降低时候，晶粒则会出现择优生长的情况，同时CdS薄膜的透光率也是不断的开始进一步提高，宽度也是进一步增大。

薛玉明等人也研究了反应溶液pH值对CdS薄膜特性所产生的影响。根据研究结果表明，随着pH值不断的发生变化，CdS薄膜的晶相由开始的六方相向立方相进行转变，这种转变对太阳能电池性能有着不同的影响，他们认为转变为立方相的CdS薄膜对于提高太阳能电池的性能是有利的，因此，在这方面可以通过调节pH值从而达到提高太阳能电池性能的目的。

1.3水浴温度对CdS薄膜的影响。张弓、段宇波等人在其所发表的《水浴温度对化学浴沉积CdS薄膜性能的影响》一文中指出，CdS薄膜薄膜的生长速率和水浴温度的大小的关系密不可分，当水浴温度比较高时，其生长速率会比较显著的增加，薄膜也逐渐的变得致密不再疏松。但是，这也并不是意味着温度越高，薄膜就越具有优质性，因为水浴温度一旦过高，会导致薄膜的表面晶粒不再细腻，而是非常的粗糙，水浴温度越高，其结晶的程度越高。

李巍，方小红等人也对温度对CdS薄膜孔洞形成所产生的影响进行了深入的分析和研究，他们认为在温度达到75℃时异质成核是比较好的，形成的薄膜也相对较致密。同时，欧阳珉路通过运用CBD法在乙酸镉硫脲和氨水的溶液体系中制备出CdS薄膜时，指出温度逐步升高时对于薄膜的沉积是有利的。但是，当温度接近沸点的时候，相反的沉积速度会逐步的减慢。因此，为了能够更好的制备CdS薄膜，需要将水浴温度控制在85℃左右是比较适宜的。

1.4沉积时间对CdS薄膜的影响。曹萌，吴杰等人采用CBD法分析了沉积时间对CdS薄膜的影响，指出沉积时间的不同对薄膜的厚度和光学特性的影响是不同的。在酸性条件下，水浴沉积时间延长，薄膜的厚度也增大，同样的晶粒尺寸也是逐步的增大，带隙也开始减小。当沉积时间为30min时， CdS薄膜的平均透光率将近80%。另外，随着沉积时间的延长，CdS薄膜的光学吸收也是增强的，CdS薄膜的厚度也开始增加。所以，可以小幅度的调控CdS带隙去改变沉积时间。

通过采用CBD法在醋酸镉溶液体系中制备CdS薄膜，发现沉积时间的延长对于CdS薄膜厚度的增加以及致密度的增加是有利的，随着Cd 与S原子比增加， CdS薄膜的结构也开始发生变化，由立方六方混合相向立方相开始转变，而且薄膜的透过率开始减小，禁带宽度值也开始逐步的增大。

2　缓冲层CdS薄膜的制备

目前制采用化学水浴法制备CdS薄膜是最为常用的，化学水浴沉积的CdS薄膜可以较好的满足CIGS电池的要求，并且操作起来比较方便，设备相对较为简单，可以大面积的沉积。

2.1化学水浴沉积CdS薄膜的反应机理。现在的太阳能电池领域，高效率的CIGS太阳能电池基本上也是使用化学水浴法沉积CdS薄膜作为CIGS电池的缓冲层，。采用化学水浴沉积的CdS薄膜，基本上是由镉源、硫源、络合剂氨水、铵盐反应而取得。其中铵盐（也可用氨水）的作用是起到缓冲的作用。

一般而言，溶液中存在同质反应和异质反应这两种反应机理。在反应混合液中，CdS的容积度往往是非常小，Cd离子与S离子很容易通过反应直接生成CdS沉淀，即同质反应。同质反应生成的颗粒一般比较大，这种反应机理比较简单，容易吸附在衬底的表面。而异质反应机理则相对复杂一些，生成的薄膜比较均匀致密，外表面相对光滑。这两种反应机制一般情况都会存在，不过在初期是异质反应占据主要的地位，薄膜比较均匀致密，外表面相对光滑。到了反应的中后期，随着反应时间的推移，同质反应开始占据主导地位，薄膜表面开始变得疏松，表面也会出现比较大的颗粒附着物。

2.2化学水浴法沉积CdS薄膜。通过不断的去改变前驱液中的氨水量来调整水浴环境的pH值，从而促使不同水浴环境下的pH值下所制备的CdS薄膜光学性质发生改变。根据光学性质和薄膜表面SEM进行分析，得出采用此方法最佳的pH值。通过已经组装的纳米PS小球的衬底上，根据已经得出来的最优的既定条件去沉积CdS，去制备二维有序CdS纳米环阵列，减小CdS薄膜反射，进而进一步增大光的吸收。并在上述所论述的条件下，在衬底上去沉积CdS薄膜。这种方法，要根据实际反应的条件进行调整，力求制备CdS薄膜的最优化。

3　小结

缓冲层是CIGS薄膜太阳能电池的重要组成部分，可以较好地改善CIGS薄膜太阳能电池的性能，所以受到的关注度也比较高。现在高效太阳能电池的吸收层均采用真空工艺制备缓冲层，而通常所采用化学水浴法制备电池器件往往要走出真空室才能应用化学水浴法，不利于电池器件的一次制备，以此不利于规模生产，因此对适合于CIGS太阳能电池一次真空制备缓冲层的工艺研究是今后探讨的重点。

［1］郭鹤桐，姚素薇，编著.基础电化学及其测量［M］.化学工业出版社， 2009

［2］杨德仁，编著.太阳电池材料［M］. 化学工业出版社， 2006

［3］陈代高，铜铟硒材料及薄膜的制备［D］.中国科学技术大学，2011

［4］敖建平，孙云等. CIGS电池缓冲层CdS的制备工艺及物理性能［J］.太阳能学报，2006（7）682

［5］崔岩等.pH值对CBD-CdS薄膜性能的影响［J］.功能材料2009，40（2），197

［6］张弓、段宇波水浴温度对化学浴沉积CdS薄膜性能的影响［J］.中国表面工程，2010（5），10

何丽秋，女，瑶族，1985年6月，广西贺州钟山，学历：硕士研究生。

Studies on chemical bath deposited CdS buffer layers for CIGS thin film solar cells

He Liqiu
（Guangxi DiKai solar energy CO.，LTD， Guangxi HeZhou，530003）

At present，the preparation methods of CdS has many kinds，The chemical bath deposition（CBD）is the most commonly method.In this review，the effects of concentration，pH，temperature and deposition time on the CdS buffer layer were studied.The preparation methods of CIGS thin film for CdS thin film solar cells were discussed.

CIGS；solar cell；CdS；Review