CdS作为一种n型直接带隙半导体材料，其禁带宽度为2.43 eV，在可见光范围内具有良好的透射率，适合作为异质结太阳能电池缓冲层，但是镉有毒，于是人们通过掺杂Ga、Cu、Zn等元素来减少或替代缓冲层中的Cd，同时调节缓冲层的带隙提高薄膜性能。

对于锌掺杂的缓冲层Cd1-xZnxS薄膜，其制备方法有：喷雾热解、连续离子层吸附和反应（SILAR）、化学气相沉积和化学浴沉积（CBD）等。CBD制备方法简单，成本较低，且工艺参数易于控制，相对减少对吸收层的损伤，因此选择CBD法制备Cd1-xZnxS薄膜。

CBD法制备的Cd1-xZnxS薄膜质量受金属离子浓度、温度、搅拌速率、pH值等因素的影响。Olivia等人研究表明，镉离子浓度较低的CdZnS薄膜的表面形貌优于镉离子浓度较高时的薄膜形貌。2013年，张天伟用氯化镉作为镉源，氯化锌作为锌源，硫脲作为硫源，三乙基胺（Triethylamine，TEA）作为配位剂，氨水作为缓冲剂，并用Ar退火制备了高透射率的Cd0.9Zn0.1S，薄膜表面平整致密，带隙为2.56 eV，可作为太阳电池窗口层。Solomon U. Offiah等人用硝酸镉为镉源，氯化锌为锌源，硫脲为硫源，氨水为络合剂，采用CBD法制备了Cd1-xZnxS薄膜，得出较高的Cd源浓度（0.02 M、0.04 M和0.06 M）有利于CdZnS薄膜的单相沉积，光学带隙随镉源浓度的增加而增加。

关于镉离子浓度对Cd1-xZnxS薄膜的影响已经有了广泛研究，但是镉源多数采用氯化镉（CdCl2）、硝酸镉（Cd(NO3)2）或乙酸镉（Cd(CH3CO2)2），目前关于硫酸镉（CdSO4）的镉源对缓冲层性能影响的研究很少。

天津理工大学薛玉明课题组研究了硫酸镉溶液浓度对Cd1-xZnxS薄膜形貌、结构和光学特性的影响。实验采用硫酸镉（0.003M、0.004M、0.005M、0.006M、0.007M）、硫酸锌（0.020M）、硫脲（0.015M）分别作为镉源、锌源、硫源，氨水（浓度25%）作为络合剂，硫酸铵（0.025M）作为缓冲剂。研究发现锌含量增加会抑制薄膜生长，锌含量越低，薄膜越致密，生长速率越快。硫酸镉浓度的变化也会影响薄膜生长速率，增加硫酸镉浓度的过程中，薄膜生长速率先增大、后减小、再增大。硫酸镉浓度为0.005M时，薄膜较为致密，吸光度较好，透射率达到80%，光学带隙值为3.24 eV，非常适合作为CIGS薄膜太阳能电池缓冲层。薄膜中锌含量占比x和光学带隙值Eg有密切关系，进一步研究发现，二者关系可以用介电模型和赝势模型表示，Eg(x) = kx2 + (Eg,ZnS - Eg,CdS - k)x + Eg,CdS，Eg,CdS和Eg,ZnS表示CdS和ZnS在Cd1-xZnxS中的带隙值，k表示弯曲系数。k值通过以下公式来计算：K = 4[0.5(Eg,ZnS + Eg,CdS) - Eg,0.5]。得出结论二者满足方程Eg(x) = 0.59x2 + 0.69x + 2.43，锌含量越高，薄膜光学带隙值越大。所以可以选定合适的锌含量，既减少了缓冲层中的Cd含量，同时也提高了缓冲层的性能，从而增大CIGS薄膜太阳电池的转换效率。

本文初步研究了硫酸镉溶液浓度对CdZnS薄膜光学电学性能的影响，研究并未深入，对于实验过程中形成的白色颗粒物等尚未进行深入研究，后续将会进一步深入研究硫酸镉的镉源对缓冲层性能的影响，以便不断地减少缓冲层中的Cd含量，同时进一步提高缓冲层的性能，不断地增大CIGS薄膜太阳电池的转换效率。

Effect of concentration of cadmium sulfate solution on structural, optical and electric properties of Cd1–xZnxS thin films

Yuming Xue, Shipeng Zhang, Dianyou Song, Liming Zhang, Xinyu Wang, Lang Wang, Hang Sun

J. Semicond. 2021, 42(11): 112101

doi: 10.1088/1674-4926/42/11/112101

Full Text: http://www.jos.ac.cn/article/doi/10.1088/1674-4926/42/11/112101?pageType=en

来源：半导体学报2021年第11期中文导读