共蒸发法制备及表征合金薄膜

摘要

通过真空共存法制备薄膜。结构，组成和光学性质用x射线衍射、x射线荧光和光学透射光谱对薄膜进行了研究。As-deposited薄膜是多晶的，呈立方结构六角形表示具有高度优先取向。的组成用维加德定律和石英厚度监测器测得的薄膜与用x射线荧光光谱测得的薄膜一致。光的吸收边为光的透过率随着锌含量的增加，薄膜呈蓝移。的带隙薄膜可以非线性地调谐从cd的约2.38 eV到ZnS的3.74 eV。cuin的一种新结构₂太阳能电池本文提出了分层。

1.介绍

zns基II-VI材料可以形成三元合金，如，室温下直接基带隙范围为2.4 ~ 3.7 eV。改变锌含量主要是改变导带的能量位置。因此，这些材料在高效电子约束结构、光伏异质结和光电器件方面具有潜在的应用前景。

在光伏系统中，更换带隙更高已导致窗口吸收损失的减少，并已导致短路电流的增加[1]．这三元化合物也是一种有用的缓冲材料pn没有晶格失配的结[2]．

薄膜已通过不同的技术制备，其中包括蒸发[2- - - - - -5]、化学镀液沉积[1，6，7和有机气相沉积[8]．然而，关于三元的信息很少采用真空蒸发技术制备所需成分的合金薄膜。薄膜，据我们所知，已通过真空蒸发，涉及三种方法，其中一种是薄膜的制备使用机械合金混合物和［3.]．很明显，同质的混合物是很难得到的。所以Kumar等人[4]合成细粉的细粉通过固相反应然后沉积薄膜。考虑到cd和ZnS的蒸汽压的巨大差异，Torres和Gordillo [5)准备薄膜的蒸发，改变直径的开口同轴室包含和体细胞。然而,同质用上述蒸发法不容易沉积所需含量的薄膜。在这工作,用共蒸发法制备了薄膜和从两个水平源，允许独立控制温度并因此控制两个前体的部分蒸汽压力。已经研究了结构，组合物，光学性质。

2.实验的细节

薄膜是通过真空共蒸发技术沉积的，如别处所述[9]，室温下厚度为~300 nm。真空系统的基压为Pa和被分成两部分，一部分是a粉末源(5n纯度)和另一种为a粉末来源(5 N纯度)。的和沉积速率由LHC-2石英监测器测量。沉积速率调整得到不同吗浓度薄膜，在0和1之间变化。用表面轮廓仪精确地确定了厚度。随后使用x射线荧光(XRF)光谱法测定每个样品的组成。通过x射线衍射(XRD)得到了各薄膜的晶体相和晶格常数。在波长范围内进行了光学透射率的测量数据间隔为0.5 nm。透射率测量也与光束在接近正入射样品，以防止反射光返回到单色器。

3.结果与讨论

准确地确定的组成合金，x射线荧光测量也进行了薄膜(图1）.表格1显示了使用基本参数(FP)方法从XRF薄膜。

数字2的x射线衍射谱用Cu辐射，只有一个衍射峰值在26.38和28.37之间⁰是礼物。CdS和ZnS薄膜没有衍射峰，说明它们是单相材料。x射线衍射图中尖锐峰的存在表明了这些材料的多晶性质薄膜，其有很强的择优取向。从XRD图可以看出，衍射角()的角度随着增加而略微升高(Zn含量)。这是由于为，其中不同离子半径和［10的晶格常数增加薄膜。数字2Zn浓度越高，XRD谱峰强度越低。的结构随着锌含量的降低，薄膜由ZnS端择优取向为(111)晶面的立方闪锌矿材料逐渐转变为择优取向为(002)晶面的六方纤锌矿材料。

因为晶格常数薄膜遵循维加德定律，即组成薄膜可以由 在哪里,,的晶格常数分别是,．从图中所示的X射线衍射光谱的值2晶格常数可计算如下:

因此,从(1)和(2)，就可以得到薄膜如表所示1．可以看出，这三种类型之间有很好的一致性值。对于低角度衍射线，衍射角随成分变化较小，确定的薄膜成分不准确。误差估计在0.05英寸左右．这种精确度表明我们可以控制采用cd和ZnS共蒸发法制备薄膜。此外，还进行了比较计算衍射谱值(图2)符合标准的JCPDS XRD谱数据见表2．

光学透射光谱电影有不同的得到的值，并观察到陡峭的吸收边缘，表明薄膜是均匀的(图3.）.光透过率薄膜在吸收边缘以外的波长通常为60%。可以看出随着锌含量的增加，薄膜的吸收边出现蓝移。

从图中透光率曲线3.，吸收系数估计薄膜的厚度。的吸收系数光子的能量可以用下式表示: 在哪里薄膜的光学带隙和指数是多少可能取得价值，，取决于电子的跃迁-空间。为此实现了线性拟合电影与，表明该材料是一种直接隙半导体。所以是什么函数对于各种锌含量（未示出）。光带能量间隙可以从直接部分的外推到的截起轴。

带隙与合成的关系如图所示4．可以看出，带隙随Zn含量呈非线性变化。这种相关性可以用最小二乘法将带隙值拟合成抛物形来确定[11，并被描述为

它给出了弯曲参数()为0.67 eV，远小于另一篇报道的eVBorse等人在薄膜中的合金系统[6) (并且在穆罕默德单晶中[12］，但与山口等人在《薄膜》中的观点一致[1］电动汽车)。在目前的情况下薄膜,值从2.38到3.74 eV以非线性的方式达到1。锌的加入使CdS的禁带发生了变化，这表明CdS形成了一系列连续的固溶体。因此，能带能隙可在二进位带隙范围内调节。以及导带的能量位置，也就是电子亲和能，也可通过改变锌含量来调节[2]．

对于光伏太阳能电池，CuInS₂具有理想的1.5 eV的直接带隙，这也与太阳光谱很好地匹配。cuin的效率为11.4%₂太阳能电池已成功制造[13]．然而，cuin性能的进一步改进₂由于ZnO和cuin之间的晶格失配，传统的太阳能电池结构受到了限制₂．因此，解决这个问题的方法是引入一个有效的缓冲层，在立方寸₂的太阳能电池。

此外，根据安德森的模型，带对齐与希望防止在CUIN中形成导带刺刺₂的太阳能电池。对于富cu薄膜，cuin的电子亲合力₂薄膜约为4.1 eVeV) (14，15，而ZnO薄膜约为4.2 eV所以电子亲和能是4。1薄膜(即［2被考虑在内。在此基础上，我们提出了一种改进的cuin结构₂的太阳能电池。cuin的能带图₂基太阳能电池如图所示5．薄膜电动汽车,从(4提供与吸收体相匹配的晶格常数，降低两者之间的界面态密度- - -同时，也消除了导带和价带尖峰。

4.结论

具有所需组合物的薄膜通过真空共存法成功地沉积在玻璃基板上。发现薄膜在ZnS末端和六边形的立方体，显示出较高的择优取向。光学透过率的测量薄膜的吸收边发生蓝移，光学带隙随成分的变化从2.38 eV非线性增加到3.74 eV为1。通过改变锌含量可以调节导带的能量位置。因此，有一个缓冲层为是如何介绍的₂以消除带尖峰，并提供晶格匹配吸收器。

致谢

国家重点基础研究发展计划(批准号:)资助。国家自然科学基金资助项目(no. 2011CBA007008);基金资助:国家自然科学基金资助项目(61076058);2008GZ0027)。作者感谢四川大学分析测试中心孙慧琴女士对透射光谱的测量。

参考

1. T. Yamaguchi, Y. Yamamoto, T. Tanaka，和A. Yoshida，“用化学浴沉积光伏器件(Cd,Zn)S薄膜的制备和表征”，薄固体电影，第343-344卷，no。1-2，页516-519,1999。视图:谷歌学者
2. R. Menner, B. Dimmler, R. H. Mauch, H. W. Schock，“异质结太阳能电池窗口的II-VI复合薄膜”晶体生长杂志，第86卷，第2期。1-4页，906-911,1990。视图:谷歌学者
3. D. Patidar, N. S. Saxena, T. P. Sharma，“CdZnS薄膜的结构、光学和电学性质，”现代光学杂志(第55卷第1期)1, 79-88页，2008。视图:出版商的网站|谷歌学者
4. P. Kumar, A. Misra, D. Kumar, N. Dhama, T. P. Sharma和P. N. Dixit，“真空蒸发的结构和光学性质。${\text{Cd}}_{\text{x}}{\text{锌}}_{\text{1 - x}}\text{年代}$薄膜,”光学材料，第27卷，第2期。2，页261-264,2004。视图:出版商的网站|谷歌学者
5. J. Torres和G. Gordillo，“基于${\text{锌}}_{\text{x}}{\text{Cd}}_{\text{1 - x}}\text{年代}$和CdSe_{1 y}年代_y多层结构薄膜，"薄固体电影，第310卷，第4期。1-2，页310 - 316,1997。视图:谷歌学者
6. S. V. Borse，S. D. Chavhan和R. Sharma，“生长，结构和光学性质${\text{Cd}}_{\text{1 - x}}{\text{锌}}_{\text{x}}\text{年代}$通过溶液生长技术（SGT）种植的合金薄膜，“合金和化合物杂志，第436卷，第4期。1-2，页407-414,2007。视图:出版商的网站|谷歌学者
7. G. K. Padam, G. L. Malhotra, S. U. M. Rao，“溶液生长薄膜的研究”${\text{锌}}_{\text{x}}{\text{Cd}}_{\text{1 - x}}\text{年代}$”,应用物理学报第63卷，第63页。3，第770-774页，1988。视图:出版商的网站|谷歌学者
8. 山长、吉川和葛西纪明，《生长与特性》${\text{锌}}_{\text{1 - x}}{\text{Cd}}_{\text{x}}\text{年代}$低气压MOVPE在GaAs上的薄膜晶体生长杂志，第99卷，第2期。1-4页，432-436,1990。视图:谷歌学者
9. 李伟，冯丽华，吴丽丽等，“多晶CdS的制备与性能研究”_xTe_{1 - x}太阳能电池用薄膜。”李学宝/物理学报第54卷，第2期。4，第1879-1884页，2005。视图:谷歌学者
10. R. D. Shannon，“修正的有效离子半径和卤化物和硫族化合物中原子间距离的系统研究，”晶体学报A辑，第32卷，751-767页，1976年。视图:谷歌学者
11. R. Hill，“半导体合金的能量间隙变化”，物理学报C，第7卷，第2期。3，第009条，第521-526页，1974。视图:出版商的网站|谷歌学者
12. M. R. Muhamad，“固体溶液中的激子电吸收${\text{Cd}}_{\text{x}}{\text{锌}}_{\text{1 - x}}\text{年代}$单晶,”日本应用物理杂志，第一部分，卷。32，不。8，pp。3385-3390,1993。视图:谷歌学者
13. D. Braunger, D. Hariskos, T. Walter和H. W. Schock，“基于cuin的11.4%高效多晶薄膜太阳能电池₂有一个无光盘缓冲层，”太阳能材料和太阳能电池，卷。40，不。2，pp。97-102，1996。视图:出版商的网站|谷歌学者
14. R. Hunger, C. Pettenkofer和R. Scheer，“(111)，(001)和(110)定向外延cuin的表面性质。₂/如果电影。”表面科学，第477卷，no。1，第76-93页，2001。视图:出版商的网站|谷歌学者
15. 林俊麟，陆俊涛，杨明辉，黄洪林，“磷注入cuin的脉冲电子束退火”₂”,应用物理快报，第48卷，第48期。16，第1057-1059页，1986。视图:出版商的网站|谷歌学者

版权

李伟等人版权所有这是一篇开放获取的文章知识共享署名许可，允许在任何媒介上不受限制地使用、分发和复制，只要原稿被适当引用。