干湿法腐蚀工艺条件下CdTe薄膜光谱研究

宋慧瑾,鄢 强

(1.成都大学工业制造学院,四川成都 610106;2.成都金倍科技有限公司,四川成都 610041)

0 引 言

CdTe太阳能电池以其高效、低成本、便于大规模生产而成为当今最具发展前景的薄膜太阳能电池之一.近年来,科研人员对CdTe太阳能电池的研究取得了引人注目的进展,其中一项主要的研究工作就是改进电池的背接触[1-2].分析认为,对CdTe薄膜进行后处理是制备高效率CdTe太阳能电池的关键步骤,退火后的CdTe薄膜表面会形成厚约几十埃的氧化层,它影响CdTe与背接层的接触效果,使电池效率降低.对此,则需要通过腐蚀工艺去掉这层氧化层才能进行电池的下一步制作环节.传统的CdTe薄膜氧化层腐蚀工艺通常是采用湿法化学刻蚀技术,腐蚀液有溴甲醇(BM)、HNO3-H3PO4(NP)和K2CrO7-H2SO4(K D)等[3-8].虽然BM和 K D腐蚀可以在CdTe薄膜表面形成富 Te层,但 K D腐蚀后的CdTe薄膜表面会形成TeO2层,将阻碍低电阻的背接触形成[6];NP腐蚀为一种择优腐蚀[3-5],其腐蚀进程控制较为困难.因此,从工业化生产考虑,宜选用干法刻蚀技术.据此,本研究利用等离子束溅射轰击这种干法刻蚀技术来对CdTe薄膜进行后处理,并与成熟的湿法化学刻蚀工艺进行对比研究,以期对CdTe薄膜太阳电池的产业化进程起到一定的推进作用.

1 实 验

在实验室自制的近空间升华系统(CSS)沉积完CdTe薄膜后,在CdCl2的氛围下,进行大约20 min 400℃热处理,以进一步增大晶粒尺寸.

经过退火后的样品采用下述方法处理:(1)采用等离子束溅射轰击对样品表面进行刻蚀,其刻蚀的不同轰击参数如表1所示;(2)采用溴甲醇对样品表面进行腐蚀,溴甲醇中,Br2(99.5%)与CH3OH的体积比为2∶1000,腐蚀时间为10 s,腐蚀完后,用甲醇冲洗,然后用氮气吹干.

表1 等离子体刻蚀CdTe薄膜中不同的轰击参数

处理后的样品采用Y-4Q型自动X射线衍射仪(丹东射线仪器集团公司)进行XRD测试,其扫描范围10°～90°,扫描速度0.06°/s,使用Cu靶Kα线,波长0.154184 nm;采用 XSAM800型光电子能谱仪(Krator Inc.)对样品进行测量,系统真空度为5× 10-9T orr,检测用MgKα1辐射为光电子激发源(能量为1 253.6 eV),校准用C1s峰(284.8 eV).

2 结果及讨论

2.1 样品的AES分析

为研究等离子体刻蚀处理对CdTe薄膜性能的影响,需要了解薄膜样品内元素的分布情况.对此,本研究首先对退火处理后的CdTe薄膜样品做了XPS溅射剖析和俄歇溅射剖析.随溅射时间的增加样品内元素百分含量的变化如图1所示.

图1 样品内各元素百分含量随溅射时间的分布

由图1可以看出,CdTe薄膜样品表面在未溅射时O含量较高,说明存在氧化层,随溅射时间的增加,样品表面O含量大幅降低,Te含量增加,说明氧化层已被溅射掉了.

2.2 样品的XRD分析

采用等离子体刻蚀和溴甲醇腐蚀处理后CdTe薄膜样品表面的XRD图谱如图2所示.

图2 不同方法腐蚀处理后样品的XRD图谱

由图2可以看出,CdTe薄膜呈立方相,沿(111)方向有明显的择优取向,同时伴随有较低强度的(220)和(311)、(400)、(331)衍射峰.由于CdTe晶粒在(111)面的表面能密度最低,在生长过程中该晶面不断长大,其他晶面的生长受到抑制,从而使得薄膜在该方向上呈现很强的择优生长.此外,由图2还可以看出,2种腐蚀方法处理后样品主要的衍射峰位没有变化,说明薄膜结晶形态没有变化,而等离子体刻蚀后的衍射峰稍弱,此可能是由于溅射轰击后样品膜厚变薄所致.

2.3 样品的XPS分析

采用等离子体刻蚀和溴甲醇腐蚀处理后的CdTe薄膜样品的XPS全谱对比图如图3所示.

图3 不同方法腐蚀处理后样品的全谱对比图

从图3中可以看出,采用2种腐蚀方法处理后的CdTe薄膜均存在Cd、Te、Cl、C、O 5种元素,其中, C来源于样品表面吸附,Cl来源于退火处理过程中加入的CdCl2.

2种腐蚀方法处理后的CdTe薄膜样品的元素百分含量对比如表2所示.

表2 2种方法腐蚀处理后样品元素百分含量对比

由表2可看出,等离子体刻蚀与溴甲醇腐蚀一样,都可以去除CdTe薄膜表面的氧化层.不同的是,溴甲醇腐蚀后CdTe薄膜表面的Te含量比等离子体刻蚀后的多,可能是因为退火后的CdTe薄膜表面有一层富Te层,经等离子轰击后在去掉表面氧化层的同时也将Te层去掉了,导致等离子体刻蚀处理后的CdTe薄膜样品中Te元素含量比溴甲醇腐蚀的少.

2.4 样品的表面形貌

用扫描电镜观察2种腐蚀处理方法的CdTe薄膜样品的表面形貌,结果如图4所示.

在图4中,图4(a)为未腐蚀处理CdTe薄膜的表面形貌,图4(b)为等离子体刻蚀处理后CdTe薄膜的表面形貌,图4(c)为溴甲醇腐蚀处理后CdTe薄膜的表面形貌.对比分析可以看出,未经腐蚀处理的CdTe薄膜样品的表面形貌最粗糙,等离子体刻蚀比溴甲醇腐蚀处理的CdTe薄膜样品表面晶粒更致密、更均匀,这是由于溴甲醇腐蚀具有选择性.溴甲醇腐蚀后的CdTe薄膜样品表面晶粒间隙较大,排列不均匀,此表明从表面形貌来看,等离子体刻蚀可以改善表面的微粗糙度,提高晶粒的均匀性,增强CdTe薄膜的附着力.

图4 样品的表面形貌

3 结 语

对CdTe薄膜溅射表面进行光谱分析表明:采用等离子束溅射轰击可以彻底清除薄膜表面的氧化层;等离子束溅射轰击会使CdTe薄膜厚度变薄,但对薄膜的结晶形态不产生改变,和溴甲醇腐蚀相比差别不大;采用等离子体刻蚀处理后的CdTe薄膜颗粒更为均匀致密,改善了薄膜表面的粗糙度,增强了薄膜的附着力,进而提高了CdTe薄膜的性能.

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