Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследование характеристик базового слоя CdS тонкопленочного солнечного элемента CdTe/CdS, осажденного методом вакуумного дискретного испарения

Сведения об участнике
ФИО
Караханян Ваге Гагикович
Вуз
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Российско-Армянский (Славянский) университет
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Новые материалы. Производственные технологии и процессы
Раздел области наук
Материалы для электроники
Тема
Исследование характеристик базового слоя CdS тонкопленочного солнечного элемента CdTe/CdS, осажденного методом вакуумного дискретного испарения
Резюме
Нано-пленки CdS получены методом вакуумного ДИ при 100C, 200C и 300C температурах подложки. Рентгеновские исследования показали, что пленки имеют гексагональную структуру. Рассчитан средний размер зерна, который составляет около 30 нм и слабо зависит от температуры подложки. После отжига интенсивность дифракционных пиков возрастает и размер зерен увеличивается. Шероховатость и морфология поверхность меняются незначительно как при изменении температуры подложки, так и после отжига. Оптические измерений показали, что пленки, полученные при температурах подложки 200C и 300C имеют ширину запрещенной зоны 2.42eV.
Ключевые слова
сульфид кадмия (CdS), тонкая пленка, солнечный элемент, метод вакуумного дискретного испарения
Цели и задачи
Целью данной работы было:
а) усовершенствование установки вакуумного ДИ, применительно для осаждения пленок CdS
б) разработка методики получения пленок CdS и CdTe
в) исследование влияния температуры подложки и термоотжига на структурные, морфологические и оптические характеристики полученных наноструктурированных пленок CdS
Введение

   Солнечные элементы на гибких полимерных подложках представляют большой практический интерес для применения на космических аппаратах, поскольку они имеют высокое отношение электрической мощности к весу. Такие СЭ представляют немалый интерес и для наземного применения, поскольку они могут быть легко интегрированы на поверхности с различными формами. Одним из основных материалов, используемый при создании гибких СЭ на основе CdTe и CuInSeявляется CdS.  К числу перспективных методов получения пленок CdS и CdTe является метод термического испарения в вакууме и его разновидность - метод вакуумного дискретного испарения, обеспечивающий стехиометрический состав получаемых пленок. 

Методы и материалы

Пленки CdS осаждались методом вакуумного дискретного испарения на подложки из коммерческие стекла с толщиной 1 мм и диаметром 20 мм. Процесс испарения проводился при давлении в вакуумной камере 1.5×10-5 мм.рт. ст.

Схематическое изображение модифицированного устройства дискретного испарения представлено на рис. 1. В качестве исходного материала использовались монокристаллические частички CdS.

Подача частиц CdS из бункера, в преварительно нагретую молибденовую лодочку, осуществлялась периодическим открытием и закрытием выпускного отверстия бункера с помощью электровибратора (рис.1).

Количество частиц CdS контролировалось времением открытия выпускного отверстия. Подача следующей порции частиц CdS проводилась после испарения всех частиц, содержащихся во лодочке.

Температура испарителя составляла 12000C - 13000C. Расстояние между лодочкой  и подложкой составляло около 12 см.

Пленки CdS осаждались  при температурах подложки 1000C, 2000C и 3000C. После осаждения,  пленки CdS отожигались при температуре 4000C в течение 30 мин. Структурные свойства образцов исследовались с помощью рентгеновского дифрактометра URD-6 в режиме q-2q с использованием Cu - Ka (l = 1,5405 Å) излучения. Морфология поверхности и шероховатость пленок CdS исследовались профилометром Zygo и атомно-силовым микроскопом (AСM) типа NEXT, поставляемой NT-MDT Inc. Спектры пропускания и отражения измерились в  диапазоне длин волн от 400 до 1000 нм с помощью двухлучевого спектрофотометра Filmetrics F20.

Описание и обсуждение результатов

Структурные свойства пленок CdS до и после термообработки 

Анализ рентгеновских дифрактограмм показал, что пленки CdS имеют поликристаллическую структуру.

Дифрактограмма характеризуется единичным резким пиком при 2θ ≈ 26.50 , что свидетельствует о том, что все поликристаллические зерна имеют одинаковую кристаллическую ориентацию.   Зарегистрированный пик при 2θ ≈ 26.50 может быть отнесен либо к плоскости (002), в случае гексагональной структуры , либо к плоскости (111), в случае кибической структуры.

В нашем случае анализ рентгенограмм показал, что межплоскостное расстояние d и дифракционные пики при 2θ = 26,5180 (при температуре подложки 1000C), 2θ = 26,5910, 2θ = 51,5770 (при температуре подложки 2000C), 2θ = 26,4730, 2θ = 51,5460 (при температуре подложки 3000C) соответствуют отражениям от кристаллических плоскостей (002) и (112) гексагональной структуры CdS, что хорошо согласуется со стандартными рентгенограммамы (JCPDS card no: 41-1049). Аналогичные результаты были получены в работах других авторов. 

После термоотжига пики при 2θ = 510 (для CdS пленки, полученной при 2000C и 3000C) исчезли, а доминирующий пик при 2θ = 26.50 резко возрос. 


На основе рентгеновских измерений были исследованы структурные параметры осажденных и затем термообработанных пленок CdS, а именно, средний размер зерен (D), плотность дислокаций (δ), число кристаллитов на единицу площади (N) и микро-деформации (ε).

Наибольшие размеры зерен (30,43нм и 34,74нм) полученные на основании рентгеновских исследований наблюдались для пленок CdS осажденных при 2000C, и для пленок, осжаденных при 1000С и  затем подвергнутых термообработке.

Термообработка приводит к уменьшению микро-деформаций и числа кристаллитов на единице площади. Наименьшие значения микро-деформаций и число кристаллитов на единице площади наблюдались для пленок  CdS, осажденной при 2000С и для пленок осажденной при 1000С, а затем подвергнутых термообработке.

 

Оптические свойства пленок CdS до и после термообработки

Коэффициент поглащения расчитывался на основе спектров отражения (R) и пропускания (T).

Ширины запрещенных зонн пленок CdS расчитывались путем линейной экстраполяции коэффициента поглащения. Для пленок осажденных при 1000C, 2000C и 3000C получены следующие значения ширины запрещенной зоны 2.39 эВ, 2.42 эВ и 2.42эВ соответственно. После термоотжига оптические ширины запрещенных зон изменились  незначительно и стали равными 2.38, 2.40 и 2.40 эВ, соответственно. Результаты измерений показали, что пленки CdS полученные при 2000C и 3000C имеют ту же запрещенную зону (Eg = 2,42 эВ), что и монокристалл CdS.

Морфологические свойства пленок CdS до и после термообработки

Результаты АСМ-изображений показывают, что морфология и шероховатость поверхности слабо зависит от температуры подложки. Типичные АСМ-изображения пленок CdS до и после термообработки представлены на рис.5 и рис.6, соответственно.

 

 

Используемые источники
[1] G.H. Hewing, W.H. Bloss. Thin Solid Films, 45,1 (1977).
[2] K. Senthil, D. Mangalaraj, SaK Narayandass, S. Adachi. Mater Sci Eng 2000; B78:53–8.
[3] F. Iacomi, M. Purica, E. Budianu, P. Prepelita, D. Macovei. Thin Solid Films, 372, 6080, (2007).
[4] R. Sathyamoorthy, S. Chandramohan, P. Sudhagar, D. Kanjilal, K. Asokan. Sol. Energy Mater. &Sol. Cells 90, 2297 (2006).
[5] S. A. Mahmoud, A. A. Ibrahim, A. S. Riad. Thin Solid Films 372, 144 (2000).
[6] A. Ashour, N. El-Kadry, S. A. Mahmoud. Thin Solid Films 269, 117 (1995).
[7] M.C. Baykul, A. Balcioglu. Microelectron Eng. 51, (2000), 703.
[8] J. Nishino, S. Chatani, Y. Uotani, Y. Nosaka. J. Electroanal. Chem. 473 (1999) 217.
[9] H. Moualkva, S. Hariech, M.S. Aida. Thin Solid Films 2009; 518:1259–62.
[10] H. L. Pushpalatha, R. Ganesha. International Journal of Chem. Tech. Research, Vol.7, No.01, pp 185-189, 2014-2015
Information about the project
Surname Name
Karakhanyan Vahe
Project title
Substrate temperature and annealing effects on the structural and optical properties of nano-CdS films deposited by vacuum flash evaporation technique
Summary of the project
The structural, morphological and optical properties of the CdS thin films deposited on glass substrate at different temperatures (1000C, 2000C and 3000C) by vacuum flash evaporation technique have been investigated. The annealing effect on these properties has also been investigated. XRD results showed that both all of as-deposited at different temperatures and annealed CdS thin films were polycrystalline, have hexagonal structure and exhibit a predominant sharp (002) peak at 2θ around 26.50. It is found that the intensity of diffraction peak (002) increases with a decrease of the substrate temperature. After annealing the peak at 2θ = 510 (for CdS films as-deposited at 2000C and 3000C) disappeared and the predominant sharp peaks at 2θ = 26.50 increased.
Using XRD results the structural parameters of CdS thin films such as the average grain sizes (D), dislocation density (δ), the number of crystallites per unit area (N) and micro-strain (ε) was calculated. These results have shown that the best crystalline structure have CdS films as-deposited at 2000C and CdS films deposited at 1000C after annealing.
The results of optical measurements have shown that CdS thin films deposited at 1000C have 2.39eV bangap and 2.42eV bandgap have films deposited at 2000C and 3000C. This value of bandgap (2.42eV) is equal to the bandgap of CdS bulk crystal. These values of bandgap after annealing slightly decreased from 2.39eV to 2.38eV and from 2.42eV to 2.40eV.
As showed the AFM images and profiler measurements the roughness of the CdS films is 5-8nm and weakly depends on both substrate temperature and annealing.
Keywords
cadmium sulfide (CdS), thin-film, solar cell, vacuum flash evaporation technique