采用真空蒸發(fā)鍍膜技術(shù)在玻璃襯底上制備了Sb 摻雜的CdTe 薄膜，薄膜為沿(111)晶向擇優(yōu)生長的立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)的CdTe，結(jié)果表明Sb 摻雜使得薄膜表面更加均勻致密，改善了薄膜的結(jié)晶狀況，增大了薄膜的光吸收范圍，同時也使薄膜的帶隙寬度有所減小，大大降低了薄膜的電阻率。

　　CdTe 是典型的Ⅱ - Ⅵ族化合物直接禁帶半導(dǎo)體，能隙寬度為1.45 eV，具有良好的光電學(xué)特性，因此CdTe 近年來被人們廣泛的應(yīng)用于薄膜太陽電池中。目前CdTe 薄膜太陽能電池在實(shí)驗室中獲得的最高光電轉(zhuǎn)換效率是17.3%。但這與CdTe 薄膜太陽能電池的理論效率29%仍然相差很遠(yuǎn)，因此真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認(rèn)為利用摻雜特性改變薄膜的晶體學(xué)和光電學(xué)性質(zhì)，進(jìn)一步提高CdTe 薄膜太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

　　本文利用真空蒸發(fā)法制備了Sb 摻雜的CdTe 薄膜，研究了摻雜量、退火溫度對薄膜的形貌、結(jié)構(gòu)及光電學(xué)性質(zhì)的影響，為進(jìn)一步提高CdTe 薄膜電池的轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行了一些探索。

1、實(shí)驗

1.1、薄膜制備

　　我們采用真空蒸發(fā)法制備不同Sb 摻雜比的CdTe 薄膜，將清洗烘干好的玻璃片放置于真空室內(nèi); 把高純CdTe 與Sb 按不同原子比(A=Sb：CdTe=0, 0.008, 0.03, 0.07) 充分混合研磨后放置于鉬舟中;將蒸發(fā)室抽真空至真空度10^-4 Pa 以上，調(diào)整蒸發(fā)電流、蒸發(fā)時間至合適值，改變襯底溫度制備出不同Sb 摻雜比例的CdTe 薄膜，薄膜厚度均為1.2 μm。將制備好的薄膜在氬氣的保護(hù)下進(jìn)行不同溫度的退火處理。

1.2、性能測試

　　用X 射線衍射儀對薄膜晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行測試分析，紫外可見分光光度計、霍爾效應(yīng)測試儀和原子力顯微鏡對薄膜的導(dǎo)電類型、光、電學(xué)性能及表面形貌特性進(jìn)行了測試。

2、結(jié)果與討論

2.1、薄膜的表面形貌特征

　　首先對摻雜前后CdTe 薄膜的表面形貌進(jìn)行了測試，如圖1 所示，由圖可以看出純CdTe 薄膜表面十分不均勻，晶粒大小不一而且有大顆粒析出，其平均粗糙度為Sa=8.03 nm。當(dāng)摻雜濃度為Sb：CdTe=0.03 時可以明顯的看出CdTe 薄膜表面變得更加致密，晶粒大小也更加均勻，其平均粗糙度下降為Sa=5.24 nm。繼續(xù)增加Sb 的摻入量以后(Sb：CdTe=0.07)，CdTe 顆粒界線不明顯，晶界模糊，表而較平整致密，而平均粗糙度Sa 則增大到了8.62nm。這表明適當(dāng)?shù)腟b 摻雜可以改善薄膜表面的致密度和均勻度。

圖1 Sb 摻雜CdTe 薄膜的AFM圖

2.2、薄膜的物相和結(jié)構(gòu)

　　為了分析摻雜量對CdTe 薄膜物相結(jié)構(gòu)的影響，我們對摻雜前后的CdTe 薄膜進(jìn)行了XRD 測試，圖2 為其結(jié)果(襯底溫度為150℃，退火溫度為400℃)。由圖2 可以看出未摻雜和不同摻雜濃度樣品的XRD 的擇優(yōu)取向均為(111)晶向，其三強(qiáng)峰分別對應(yīng)(111)、(220)、(311) 晶向， 與標(biāo)準(zhǔn)PDF65- 8879 卡相吻合,薄膜仍為立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)。圖譜中均未出現(xiàn)Sb 單質(zhì)物相。隨著摻雜濃度增加，薄膜的各個晶向衍射峰強(qiáng)度均有所增加，當(dāng)摻雜濃度為Sb：CdTe=1:0.03 時衍射峰峰強(qiáng)最強(qiáng)，繼續(xù)增大摻雜比率樣品的(111)晶向峰強(qiáng)明顯降低，(220)方向峰強(qiáng)開始增大。比較不同Sb 含量的衍射曲線可知：最佳摻雜比率為Sb：CdTe=0.03，在此條件下薄膜的結(jié)晶性能得到了明顯的改善。

圖2 Sb 摻雜的CdTe 薄膜的XRD 圖

　　圖3 是CdTe 薄膜在不同熱處理溫度下的XRD 圖，熱處理時間為20 min，摻雜濃度為CdTe:Sb=1:0.03、襯底溫度為150℃。由圖可以看出當(dāng)退火溫度為350℃時XRD 的擇優(yōu)取向為(111)晶向，在(220)、(311)晶向上的峰強(qiáng)很弱，當(dāng)溫度升高到400℃時薄膜的三強(qiáng)峰均有所增強(qiáng)，而且其它晶向上也開始出現(xiàn)小峰。當(dāng)溫度進(jìn)一步升高到425℃時，CdTe 薄膜的三強(qiáng)峰強(qiáng)度變化不大，而且熱處理溫度越高越容易引進(jìn)更多缺陷。故綜合考慮認(rèn)為: 摻雜后薄膜的最佳熱處理條件為T=400℃，t=20 min。

圖3 不同熱處理條件下CdTe 薄膜的XRD 圖

　　由XRD 圖譜對樣品的晶格常數(shù)和晶粒尺寸進(jìn)行了計算，如表1 所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)摻Sb 使CdTe 薄膜的晶格常數(shù)有所減小, 這可能是因為Sb3+ 的離子半徑小于Cd2+的離子半徑,所以少量Sb3+ 的替位使CdTe 薄膜的晶格常數(shù)略有減小,但是變化的幅度不是很大,因為CdTe 的自補(bǔ)償效應(yīng)很難得到高摻雜的CdTe薄膜，故其主要成分仍然是CdTe，所以與純CdTe薄膜的晶格常數(shù)接近。通過謝樂公式計算了樣品晶粒尺寸,計算結(jié)果表明,摻雜Sb 使CdTe 的晶粒尺寸有比較明顯的增大。

3、結(jié)論

　　(1)采用真空蒸發(fā)技術(shù)制備出了Sb 摻雜的CdTe 薄膜，薄膜為立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)，沿(111)晶相擇優(yōu)生長。摻雜Sb 促進(jìn)了薄膜的結(jié)晶，使晶粒尺寸有所增長。

　　(2) 摻雜Sb 后，薄膜的表面粗糙度有所減小，薄膜表面變得更加致密，晶粒大小也更加均勻，當(dāng)摻雜濃度過大時薄膜粗糙度有所增大。

　　(3)摻雜Sb 增強(qiáng)了CdTe 薄膜的光吸收特性，光學(xué)帶隙明顯減小、吸收限紅移，增寬CdTe 薄膜的光吸收范圍。

　　(4)摻雜Sb 使CdTe 薄膜的載流子濃度有所增加，薄膜的電阻率明顯減小，而且摻雜前后CdTe薄膜的導(dǎo)電類型均為P 型。