干濕法腐蝕工藝條件下CdTe薄膜光譜研究

宋慧瑾,鄢 強

(1.成都大學工業制造學院,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太陽能電池以其高效、低成本、便于大規模生產而成為當今最具發展前景的薄膜太陽能電池之一.近年來,科研人員對CdTe太陽能電池的研究取得了引人注目的進展,其中一項主要的研究工作就是改進電池的背接觸[1-2].分析認為,對CdTe薄膜進行后處理是制備高效率CdTe太陽能電池的關鍵步驟,退火后的CdTe薄膜表面會形成厚約幾十埃的氧化層,它影響CdTe與背接層的接觸效果,使電池效率降低.對此,則需要通過腐蝕工藝去掉這層氧化層才能進行電池的下一步制作環節.傳統的CdTe薄膜氧化層腐蝕工藝通常是采用濕法化學刻蝕技術,腐蝕液有溴甲醇(BM)、HNO3-H3PO4(NP)和K2CrO7-H2SO4(K D)等[3-8].雖然BM和 K D腐蝕可以在CdTe薄膜表面形成富 Te層,但 K D腐蝕后的CdTe薄膜表面會形成TeO2層,將阻礙低電阻的背接觸形成[6];NP腐蝕為一種擇優腐蝕[3-5],其腐蝕進程控制較為困難.因此,從工業化生產考慮,宜選用干法刻蝕技術.據此,本研究利用等離子束濺射轟擊這種干法刻蝕技術來對CdTe薄膜進行后處理,并與成熟的濕法化學刻蝕工藝進行對比研究,以期對CdTe薄膜太陽電池的產業化進程起到一定的推進作用.

1 實 驗

在實驗室自制的近空間升華系統(CSS)沉積完CdTe薄膜后,在CdCl2的氛圍下,進行大約20 min 400℃熱處理,以進一步增大晶粒尺寸.

經過退火后的樣品采用下述方法處理:(1)采用等離子束濺射轟擊對樣品表面進行刻蝕,其刻蝕的不同轟擊參數如表1所示;(2)采用溴甲醇對樣品表面進行腐蝕,溴甲醇中,Br2(99.5%)與CH3OH的體積比為2∶1000,腐蝕時間為10 s,腐蝕完后,用甲醇沖洗,然后用氮氣吹干.

表1 等離子體刻蝕CdTe薄膜中不同的轟擊參數

處理后的樣品采用Y-4Q型自動X射線衍射儀(丹東射線儀器集團公司)進行XRD測試,其掃描范圍10°～90°,掃描速度0.06°/s,使用Cu靶Kα線,波長0.154184 nm;采用 XSAM800型光電子能譜儀(Krator Inc.)對樣品進行測量,系統真空度為5× 10-9T orr,檢測用MgKα1輻射為光電子激發源(能量為1 253.6 eV),校準用C1s峰(284.8 eV).

2 結果及討論

2.1 樣品的AES分析

為研究等離子體刻蝕處理對CdTe薄膜性能的影響,需要了解薄膜樣品內元素的分布情況.對此,本研究首先對退火處理后的CdTe薄膜樣品做了XPS濺射剖析和俄歇濺射剖析.隨濺射時間的增加樣品內元素百分含量的變化如圖1所示.

圖1 樣品內各元素百分含量隨濺射時間的分布

由圖1可以看出,CdTe薄膜樣品表面在未濺射時O含量較高,說明存在氧化層,隨濺射時間的增加,樣品表面O含量大幅降低,Te含量增加,說明氧化層已被濺射掉了.

2.2 樣品的XRD分析

采用等離子體刻蝕和溴甲醇腐蝕處理后CdTe薄膜樣品表面的XRD圖譜如圖2所示.

圖2 不同方法腐蝕處理后樣品的XRD圖譜

由圖2可以看出,CdTe薄膜呈立方相,沿(111)方向有明顯的擇優取向,同時伴隨有較低強度的(220)和(311)、(400)、(331)衍射峰.由于CdTe晶粒在(111)面的表面能密度最低,在生長過程中該晶面不斷長大,其他晶面的生長受到抑制,從而使得薄膜在該方向上呈現很強的擇優生長.此外,由圖2還可以看出,2種腐蝕方法處理后樣品主要的衍射峰位沒有變化,說明薄膜結晶形態沒有變化,而等離子體刻蝕后的衍射峰稍弱,此可能是由于濺射轟擊后樣品膜厚變薄所致.

2.3 樣品的XPS分析

采用等離子體刻蝕和溴甲醇腐蝕處理后的CdTe薄膜樣品的XPS全譜對比圖如圖3所示.

圖3 不同方法腐蝕處理后樣品的全譜對比圖

從圖3中可以看出,采用2種腐蝕方法處理后的CdTe薄膜均存在Cd、Te、Cl、C、O 5種元素,其中, C來源于樣品表面吸附,Cl來源于退火處理過程中加入的CdCl2.

2種腐蝕方法處理后的CdTe薄膜樣品的元素百分含量對比如表2所示.

表2 2種方法腐蝕處理后樣品元素百分含量對比

由表2可看出,等離子體刻蝕與溴甲醇腐蝕一樣,都可以去除CdTe薄膜表面的氧化層.不同的是,溴甲醇腐蝕后CdTe薄膜表面的Te含量比等離子體刻蝕后的多,可能是因為退火后的CdTe薄膜表面有一層富Te層,經等離子轟擊后在去掉表面氧化層的同時也將Te層去掉了,導致等離子體刻蝕處理后的CdTe薄膜樣品中Te元素含量比溴甲醇腐蝕的少.

2.4 樣品的表面形貌

用掃描電鏡觀察2種腐蝕處理方法的CdTe薄膜樣品的表面形貌,結果如圖4所示.

在圖4中,圖4(a)為未腐蝕處理CdTe薄膜的表面形貌,圖4(b)為等離子體刻蝕處理后CdTe薄膜的表面形貌,圖4(c)為溴甲醇腐蝕處理后CdTe薄膜的表面形貌.對比分析可以看出,未經腐蝕處理的CdTe薄膜樣品的表面形貌最粗糙,等離子體刻蝕比溴甲醇腐蝕處理的CdTe薄膜樣品表面晶粒更致密、更均勻,這是由于溴甲醇腐蝕具有選擇性.溴甲醇腐蝕后的CdTe薄膜樣品表面晶粒間隙較大,排列不均勻,此表明從表面形貌來看,等離子體刻蝕可以改善表面的微粗糙度,提高晶粒的均勻性,增強CdTe薄膜的附著力.

圖4 樣品的表面形貌

3 結 語

對CdTe薄膜濺射表面進行光譜分析表明:采用等離子束濺射轟擊可以徹底清除薄膜表面的氧化層;等離子束濺射轟擊會使CdTe薄膜厚度變薄,但對薄膜的結晶形態不產生改變,和溴甲醇腐蝕相比差別不大;采用等離子體刻蝕處理后的CdTe薄膜顆粒更為均勻致密,改善了薄膜表面的粗糙度,增強了薄膜的附著力,進而提高了CdTe薄膜的性能.

[1]Wu X,Keane J C,Dhere R G,et al.16.5%Efficiency CdS/ CdTe Polycrystalline Thin Film Solar Cells[C]//17th European Photovoltaic Solar Energy Conference.Munich,Germany:IHT Press,2001.

[2]Kraft D,Thissen A,Broetz J,et al.Characterization of Tellurium Layers for Back Contact Formation on Close to Technology Treated CdTe Surfaces[J].Journal of Applied Physics,2003,94(5): 3589-3598.

[4]Li Xiaonan,Niles D W,Hasoon F S,et al.Effect of Nitric-phosphoric Acid Etches on Material Properties and Back-contact Formation of CdTe-based Solar Cells[J].Journal of Vacuum Science and Technology(A),1999,17(3):805-809.

[5]Batzner D L,Romeo A,Z ogg H,et al.Development of Efficient and Stable Back Contacts on CdTe/CdS Solar Cells[J].Thin Solid Films,2001,387(1-2):151-154.

[6]Danaher WJ,LyonsL E,Marychurch M,et al.Chemical Etching of Crystal and Thin Film Cadmium Telluride[J].Applied Surface Science,1986,27(3):338-354.

[7]郝瑞英,李衛,鄭家貴,等.硝磷酸腐蝕的CdTe太陽電池性能[J].功能材料與器件學報,2007,13(2):107-112.

[8]Li W,Feng L H,Zhang J Q,et al.Studies of Key Technologies for CdTe Solar Modules[J].Science in China(Series E:Technological Sciences),2008,51(1):33-39.