CdTe薄膜制备工艺-太阳能光伏技术与应用

CdTe半导体薄膜材料的制备方法主要有：近空间升华、电化学沉积、真空蒸发、化学水浴法沉积、喷雾热解、丝网印刷、化学气相沉积与物理气相沉积法等。本节主要介绍近空间升华、电化学沉积和真空蒸发法。

8．2．4．1 近空间升华法

近空间升华法制备CdTe薄膜是指在真空环境中，加热高纯粉末或者颗粒状固态CdTe材料，或者Cd和Te的混合物，使之升华，然后这些活性的Cd、Te在温度较低的衬底上凝结下来，便得到CdTe薄膜。CSS法可概括为升华、输运和沉积三个过程，沉积实际又包含成核和生长两个过程。CSS法是一种为制备CdTe薄膜而提出的薄膜沉积技术，这种方法具有沉积速率高、设备简单可靠、生产成本低、源材料利用率高、薄膜的结晶度高等优点。

采用CSS法制备CdTe薄膜的实验装置示意图如图8．5所示。工艺过程为：在下碳基座放置高纯CdTe作为源材料，在上碳基座放置衬底，两基座之间的距离不宜过大，通常为10～30mm，以使CdTe材料与衬底之间的温度场尽量均匀，从而使薄膜的生长环境接近于理想平衡状态。

图8．5　近空间升华法制备CdTe薄膜的装置示意图

在工艺开始时，首先将反应管抽真空，然后通入适量的N2与O2，真空度保持在102～103 Pa，衬底温度为550～650℃，而CdTe源材料的温度通常比衬底高100℃左右，使得高温CdTe升华，在温度较低的衬底上形成连续薄膜。

图8．6　近空间升华法制备的CdTe薄膜表面SEM图像

影响CdTe薄膜性能的参数主要有源材料与衬底的温度、工作气压、工作气氛、源材料与衬底之间的距离，其中衬底温度是影响CdTe薄膜性能的关键因素之一。图8．6为不同温度下制备的CdTe薄膜表面SEM图像［14］。图8．6（a）～（c）是源材料温度650℃，衬底温度分别为475℃，525℃，575℃的CdTe薄膜表面型貌，图8．6 （d）为源材料温度675℃，衬底温度为625℃制备的薄膜表面SEM图。经计算得到晶粒尺寸与衬底温度的数值如表8．2与图8．7所示，从以上分析可知，随着衬底温度的升高，薄膜的晶粒大小也不断增大。

表8．2　不同衬底温度制备的CdTe薄膜晶粒尺寸

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图8．7　近空间升华法制备的CdTe薄膜的晶粒尺寸与衬底温度的关系

8．2．4．2 电化学沉积法

电化学沉积法是将Cd2＋离子和离子的电解液加热到70～90℃，在阴极上形成CdTe薄膜。其基本反应方程如下：

采用电化学法制备CdTe薄膜过程中，电解液是含有镉盐的CdSO4和HTeO＋

2的酸性水溶液TeO2组成，主要组分为Cd2＋与。电化学沉积法中，影响薄膜性能的主要参数包括溶液组分、pH值、温度、的浓度、阴极电位、阳极电 位和搅拌等。受到TeO2溶解度的影响，HTeO＋2在溶液中的浓度较低，因此沉积速率较低，通常在1～2μm／h，用这种方法形成的CdTe薄膜晶粒尺寸在0．5～1．0μm之间，电阻率为104～106Ω·cm［15～17］，为改善薄膜性能还需要进一步的后退火处理。

8．2．4．3 真空蒸发法

真空蒸发法制备CdTe薄膜是指在真空环境中，加热单质的高纯Cd，Te材料，使其蒸发出来的Cd，Te气体分子互相撞击并化合，从而在衬底上形成连续薄膜。图8．8为真空蒸发制备CdTe薄膜的实验装置示意图，从图中可以看出，在真空室底部放置Cd，Te材料，材料的纯度达99．99%甚至更高；右侧接有真空计与原子吸收光谱（atomic absorption spectroscopy，AAS），用于实时监控压强与组分；左侧接有真空泵。在真空室顶部中心安装有监控系统，用于实时监控CdTe薄膜厚度和蒸发速率；顶部的衬底夹具为旋转平面夹具；在衬底夹具上方装有管状加热器与热电偶。

在真空蒸发工艺中，影响薄膜性能的主要工艺参数包括工作气压、蒸发源温度、衬底温度、沉积速率等。蒸发源温度影响薄膜的组分、均匀性和致密性。衬底温度高低不同，会直接影响表面沉积原子的运动，反蒸发和结晶过程。合适的衬底温度有利于形成平整的薄膜表面。如果沉积速率过高，原子来不及通过热运动到达晶格位置，可能引起空位或者结构的缺陷，结晶特性相对较差。这种沉积方法可以精确地控制CdTe薄膜组分，但成本相对较高，在大规模生产中有一定的局限性。

图8．8　真空蒸发法制备CdTe薄膜的装置示意图