磁控溅射法制备cds薄膜及性能表征.doc

密 级公开学 号101554毕 业 设 计（论 文）磁控溅射法制备CdS薄膜及性能表征院（系、部）： 材料科学与工程学院 姓 名： 于宇新 年 级： 2010 专 业： 材料科学与工程 指导教师： 曾冬梅 教师职称： 讲 师 2014年 月 日·北京北 京 石 油 化 工 学 院毕 业 设 计 （论 文） 任 务 书学院（系、部）材料科学与工程学院 专业材料科学与工程 班级 材101学生姓名 于宇新 指导教师/职称 曾冬梅/讲师 1.毕业设计（论文）题目磁控溅射法制备CdS薄膜及性能表征2.任务起止日期： 2014 年 2 月 16 日 至 2014 年 月 日3.毕业设计（论文）的主要内容与要求（含课题简介、任务与要求、预期培养目标、原始数据及应提交的成果）硫化镉(英文caudmim sulfide)分子式CdS，分子量144.46，是一种N型光电导半导体材料。属-族化合物半导体，其禁带宽度为2.42eV，非常适合作为异质结薄膜太阳能电池的窗口材料。同时由于CdS薄膜易于制作、成本低廉，使其成为太阳能电池研究中的热点。硫化镉（CdS）因其具有较深的价带能级和一些特殊的电化学性能，因此被广泛应用于光催化太阳能电池窗口层材料。制备CdS薄膜的方法很多，如真空蒸发法、磁控溅射法、化学水浴法（CBD法）、喷涂热解法、电沉积法、丝网印刷法、MOCVD法、Sol-gel法等。磁控溅射可以被认为是镀膜技术中最突出的成就之一。它以溅射率高、基片温升低、膜-基结合力好、装置性能稳定、操作控制方便等优点,成为镀膜工业应用领域(特别是建筑镀膜玻璃、透明导电膜玻璃、柔性基材卷绕镀等对大面积的均匀性有特别苛刻要求的连续镀膜场合)的首选方案。通过本课题的研究，培养学生查找、收集文献资料的能力，了解如何进行文献调研，并学会总结、概括，完成文献综述的撰写。提高学生科技论文阅读和翻译的能力，准确翻译一篇外文文献；锻炼学生的动手能力，学会操作和使用实验仪器设备；使学生了解材料相结构、组织形貌、光电性能的检测原理，掌握基础的分析检测技术；培养学生利用计算机绘图、处理数据的能力，对相应的实验数据进行处理；培养学生独立分析问题和解决问题的能力。预期培养目标：通过毕业设计的训练，使同学掌握科学研究的思路和方法，为以后从事材料科学研究工作打下基础；为太阳能电池的光学性能优化和理论研究做好准备。 最终提交材料：文献综述、文献翻译及原文、毕业论文。4.主要参考文献1Moualkia H,Hariech S,Aida M S.Thin Solid Films,2009,518:1259.2俞秋蒙. 薄膜太阳能电池窗口层材料的应用与发展J.科技致富向导，2011年，12期：15-483常笑薇. CdS薄膜及其太阳能电池的制备和性质研究D：硕士学位论文.北京交通大学，2006年4赵嘉学，童洪辉.磁控溅射原理的深入探讨J.真空，2004年，41卷（04期）：74-79 10董骐，范毓殿.非平衡磁控溅射及其应用J.真空科学与技术，1996年，16卷（01期）:51-575黎兵，蔡亚平，朱居木等人CdS多晶薄膜的制备及其性能的研究四川大学学报199936(3)4975006JNXimello-Quiebras，GContreras-Ptmnte，JAguilar-Hemandez,et a1Physical properties of chemical bath deposited CdS thinfilmsSol矗EnergyMaterials&Solar Cells200482(1-2)263-2687 徐万劲. 磁控溅射技术进展及应用(上) J. 现代仪器, 2005, (5):1-5.5.进度计划及指导安排(1) 2014.2.172014.2.23 中英文文献查找、搜集(2) 2014.2.242014.3.14 翻译英文文献，撰写开题报告，开题答辩(3) 2014.3.172014.5.2 工艺摸索、样品制备(4) 2014.5.52014.5.16 用紫外可见分光光度计测量薄膜透光率，用XRD对薄膜的结构进行分析，用原子力显微镜对薄膜形貌进行分析。(5) 2014.5.192014.5.23 对实验数据进行分析处理(6) 2014.5.262014.5.30 整理实验结果完成论文(7) 2014.5.312014.6.6 修改论文、评阅、答辩任务书审定日期 年 月 日 系（教研室）主任（签字） 任务书批准日期 年 月 日 教学院（系、部）院长（签字） 任务书下达日期 年 月 日 指导教师（签字） 计划完成任务日期 年 月 日 学生（签字） 摘 要硫化镉，分子式CdS，是一种N型光电导半导体材料。CdS是一种非常重要的-族化合物半导体，其禁带宽度为2.42eV。使用X射线衍射仪、原子力显微镜，紫外-可见分光光度计对CdS薄膜的晶体结构、表面形貌、光学性能进行了分析测试。重点讨论了溅射功率、溅射时间、衬底温度、实验气压、靶材到衬底距离等不同工艺参数对CdS薄膜的光透过性能、晶体结构及其表面形貌的影响。实验说明：硫化镉薄膜的光学性能、表面形貌主要与薄膜厚度、晶体结构和晶粒大小有关。薄膜越厚，硫化镉的光学透过率越低，禁带宽度越小；晶粒越大，薄膜表面粗糙度越大。关键词：硫化镉，磁控溅射，晶体结构，表面形貌，光学性能AbstractCadmium sulfide, Molecular formula is CdS, Its a kind of N type photoconductive semiconductor materials. CdS is a very important material as a II-IV compound semiconductor，the band-gap energy of CdS is 2.42eV. Using the X-ray diffraction, atomic force microscopy and uv-vis spectrophotometer detection the crystal structure, surface morphology and optical properties of the CdS. Discuss the different process parameters like the sputtering power, sputtering time, substrate temperature, pressure, the distance of target material and substrate, the influence for CdS film by light through the performance, The crystal structure and surface morphology.The experiment shows that：the Cadmium sulphide thin films Optical properties and surface morphology related to the film thickness, crystal structure and grain size. It found that the optical transmittance of cadmium sulfide and the forbidden band width decrease with increase in the film thickness. the thin film surface roughness decrease with increase in the grain.Keywords: Cadmium，sulfide,magnetron，sputtering,crystal，structure,surface morphology，optical properties目 录第一章 前 言11.1 选题背景11.2 研究意义11.3 CdS材料简介21.4 CdS薄膜的制备方法31.4.1真空蒸发法31.4.2电沉积法31.4.3化学水浴法41.4.4磁控溅射法41.5 CdS的应用51.5.1光敏电阻51.5.2太阳能电池器件61.5.3半导体激光器71.5.4光催化剂8第二章 薄膜的制备与表征92.1 实验试剂与仪器92.2 CdS薄膜的制备92.2.1 基片的预处理102.2.2 磁控溅射材料102.2.3磁控溅射步骤102.2.4实验工艺参数112.3 CdS薄膜的表征122.3.1 X射线衍射仪（XRD）122.3.2紫外-可见光分光光度计132.3.3原子力显微镜（AFM）14第三章 结果与讨论153.1功率对CdS薄膜性能影响153.2时间对CdS薄膜性能影响193.3衬底温度对CdS薄膜性能影响233.4实验气压对CdS薄膜性能影响263.5靶材到衬底距离对CdS薄膜性能影响30第四章 结论34参考文献35致 谢37声 明38第一章 前 言1.1选题背景煤、石油和天然气等传统非再生能源在我们的生活中起到了非常大的作用，但由于这些能源储量有限，还会带来环境问题，使得人们越来越关注新能源的开发和利用。越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。目前,如何寻求新材料、新结构来改善太阳电池的光伏性能参数是困扰光伏工作者的最大难题之一。硫化镉/碲化镉薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产。硫化镉（CdS）作为一种n型半导体材料，其禁带宽度为2.42eV，非常适合作为异质结薄膜太阳能电池的窗口材料1。同时由于CdS薄膜易于制作、成本低廉，使其成为太阳能电池研究中的热点。通过改善CdS窗口层材料的光学、电学性能可以提高太阳能电池的光电转换效率。1.2 研究意义窗口层材料对太阳能电池影响是非常大的，它直接影响光电转换效率。一般窗口层起到同电池本体层形成pn结内电场的作用，由于窗口层是表面层，因此窗口层要尽量避免吸收光产生载流子，因此窗口层普遍采用禁带宽度大的材料制成，尽量不吸收光。以至于可以尽量增加太阳能电池的光吸收率，提高光电转换率。硫化镉（CdS）因其具有较深的价带能级和一些特殊的电化学性能，因此被广泛应用于光催化太阳能电池窗口层材料2。传统上, 商用化的CdTe太阳电池采用化学水浴( CBD) 法制作CdS窗口层, CdTe光吸收层采用近空间升华( CSS) 法制备, 干湿结合工艺使电池制作工序较为繁杂。所以业界希望推进全干工艺制作CdTe薄膜太阳电池, 以进一步提升该类光伏器件的转换效率, 简化制作工序, 提高量产后的成品率。因此, 实现干法工艺替代传统的CBD工艺进行高质量CdS窗口层的制备成为关键一步3。本课题采用磁控溅射法制备太阳电池窗口层，这种薄膜制备方法更适用于大面积均匀薄膜的生长，所制薄膜均匀致密，制模成本低，工艺简单适合大面积连续生产，商业前景广阔。1.3 CdS材料简介CdS是一种重要的光敏半导体,广泛应用于光电子学领域。在光伏转换方面,CdS作为直接能隙半导体,是一种良好的窗口层材料和过渡层材料,具有广阔的应用前景。 CdS是II -VI族化合物直接跃迁半导体材料，带隙为2.42eV，在太阳能电池、发光二极管、光催化及其他光电子学器件等领域具有广泛的应用，一直被认为是一种可见光响应的优异光电材料。硫化镉(英文caudmim sulfide)分子式CdS，分子量144.46，是一种N型光电导半导体材料。属-族化合物半导体。有晶体和无定形物。晶体有两种：-型，柠檬黄色粉末，密度3.914.15;-型，橘红色粉末，密度4.484.51。自然界中有硫镉矿，六方晶体，晶格常数5.86×10-10m,密度4.82。CdS主要包括纤锌矿和闪锌矿两种晶格结构，如图1-1所示。CdS晶体的结构包括有立方晶型结构和六方晶型结构两种(图1-1为硫化镉的晶体结构示意图)。图1-1 CdS晶体结构(a)立方晶型结构(b)六方晶型结构立方晶相的CdS晶格结构如图1-1 (a)所示,它是四面体,属于等轴晶系,面心结构。六方晶相的CdS晶格结构如图1-1 (b)所示,每个Cd原子与周围4个S原子按四面体排布。一般制备的CdS材料中这两种结构都会存在,因为这两种结构为同质异性体,形成能的差异也很小。CdS能在氮气中升华。微毒，无放射性，微溶于水和乙醇，溶于酸，极易溶于氨水。熔点1750，禁带宽度2.42eV, 电子和空穴的迁移率分别为2×10-2和2×10-3m2/v·s，相对介电常数11.65。可用于制焰火、玻璃釉、瓷釉、发光材料，并用作油漆、纸、橡胶和玻璃等的颜料（镉黄和镉红），高纯度硫化镉是良好的半导体，对可见光有强烈的光电效应，可用于制光电管、太阳能电池。1.4 CdS薄膜的制备方法制备CdS薄膜的方法很多，如真空蒸发法、磁控溅射法、化学水浴法（CBD法）、喷涂热解法、电沉积法、丝网印刷法、MOCVD法、Sol-gel法等6。本课题采用磁控溅射法制备硫化镉（CdS），这种薄膜制备方法更适用于大面积均匀薄膜的生长，制模成本低，工艺简单，所制薄膜均匀致密，薄膜与衬底之间有较大的附着力,并且还可以连续溅射多层薄膜。1.4.1化学水浴法（CBD法）1884 年,有人首次采用化学水浴法制备了PbS薄膜,后来发展为硫化镉等多种金属硫族化合物半导体薄膜的制备方法。CBD法制备CdS薄膜时,是在常压、低温(30-90)的条件下,利用镉盐和硫脲在碱性溶液中进行络合分解反应,得到硫化镉薄膜。工艺参数对制备的CdS薄膜的结构、性能和表面形貌有很大影响,为了优化薄膜的性能,许多研究者对此进行了大量的研究。蔡亚平、李卫等人采用化学水浴法，沉积了大面积(30cm×40cm)CdS多晶薄膜，薄膜厚度均匀、致密，其结构为六方相，光学能隙2.45eV。通过优化和减薄CdS薄膜,提高了CdS/CdTe太阳电池的性能。制备的CdS薄膜性质及CdTe薄膜太阳电池组件的性能都表现出了高度的均匀性。同时,制备出了全面积993.16cm2,效率达8%以上的太阳电池组件7。1.4.2真空蒸发法真空蒸发法即在高真空条件下,通过蒸发源将膜材加热到蒸发温度,使其蒸发,当蒸气分子的平均自由程大于真空室线性尺寸后,将不再受到其它离子的阻碍,可直接沉积到低温衬底上,凝结成膜。何智兵等在真空度为(1.52.0)×10-3Pa,蒸发电流为65A的条件下,用99.999%的高纯度 CdS 作为蒸发源,蒸发镀膜。CdS的蒸发速率为0.5nm/s,衬底为150时,制备出的薄膜厚度为550nm,光学透过率达到了95%以上8。1.4.3电沉积法电沉积法是金属或合金或金属化合物在电场作用下从其化合物水溶液、非水溶液或熔盐中在电极表面沉积出来的方法。葛艳辉等人采用0.1M/LCdCl2和0.01M/LNa2S2O3的混合溶液 300mL，以Pt电极做正极，带有透明导电薄膜ITO的玻璃为负极，在ITO玻璃衬底上电沉积CdS薄膜, 沉积时间约为30min。衬底ITO玻璃依次用丙酮、酒精和去离子水分别超声清洗 20min。电沉积用的溶液的pH值为23，温度从5590,沉积的电压分别为1.5V、2V、2.5V、3V和3. 5V。沉积得到的薄膜在温度为400e , N2气氛下退火处理1h。分别用XRD及SEM分析了薄膜的结构和表面形貌。研究了不同温度和不同沉积电压对薄膜表面硫与镉的化学成分比的影响。最佳的沉积电压为2.53V之间。制作了 ITO/n-CdS/p-SnS/Ag结构的太阳能电池,在100mW/cm2的光强下其开路电压 0.2V,短路电流13.2mA/cm2,填充因子0.31,转换效率 0.81%9。1.4.4磁控溅射法磁控溅射可以被认为是镀膜技术中最突出的成就之一。它以溅射率高、基片温升低、膜-基结合力好、装置性能稳定、操作控制方便等优点,成为镀膜工业应用领域(特别是建筑镀膜玻璃、透明导电膜玻璃、柔性基材卷绕镀等对大面积的均匀性有特别苛刻要求的连续镀膜场合)的首选方案10。近年来磁控溅射技术发展很快，具有代表性的方法有射频溅射、反应磁控溅射、非平衡磁控溅射等。射频溅射是一种可采用任何材料的靶, 在任何基片上沉积任何薄膜的方法。在溅射过程中，主动地在放电气体中混入活性气体，通过控制活性气体的比例及压强控制所合成的化合物的成份和性质，从而达到制备化合物薄膜的方法称为反应溅射。非平衡磁控溅射是在常规溅射靶基础上改变磁场分布，可以显著地提高镀膜区域等离子体浓度的磁控溅射方法11。溅射镀膜在磁场的控制下工作,有着显著的优点: 1)由于电磁场的作用, 电子与放电气体的碰撞几率增高，气体的离化率从而增大，使低气压溅射成为可能。而且在电磁场的作用下，二次电子在靶表面作旋轮运动，只有能量耗尽后才脱离靶表面，使得基片损伤小、温度升高幅度低。2)高密度的等离子体被电磁场束缚在靶面附近，不仅提高了电离效率，使工作气压大大降低，而且有利于正离子有效的轰击靶面，使沉积速率有效提高。3)由于工作气压低，所以减少了工作气体对被溅射出的粒子的散射作用，有利于沉积速率的提高，并可增加膜层与基片的附着力。不同的溅射参数可以制作不同性能的薄膜，表1-1是薄膜属性与影响薄膜属性的溅射参数12。表1-1薄膜属性及相应的溅射参数薄膜属性溅射参数成分晶相及结晶度缺陷显微结构表面及界面靶的成份溅射模式基片材料基片位置电极几何结构溅射气氛（总压强、分压强）沉积温度沉积速率（溅射功率、沉积间距）偏压冷却速率及冷却气氛后期退火1.5 CdS的应用硫化镉晶体有两种，-式呈柠檬黄色粉末，-式呈桔红色粉末。微溶于水，溶于酸，微溶于氨水。可用于制焰火、玻璃釉、瓷釉、发光材料、颜料。镉黄广泛用于搪瓷、玻璃和陶瓷的着色。也用于涂料、塑料行业，还用作电子荧光材料。镉黄几乎适用于所有树脂的着色，在塑料中呈半透明性。含硫化锌的浅色类镉黄用于聚乙烯中，应尽量缩短成型加工时间，因为硫化锌会促进聚乙烯塑料分解而呈绿色。镉黄在室室的稳定性不如镉红，多用于室内塑料制品。镉黄不宜与含铜或铜盐的颜料拼用，以免生成黑色的硫化铜或绿色的硫酸铜。镉黄与蓝色的颜料拼混可得到绿色。高纯度硫化镉是良好的半导体，对可见光有强烈的光电效应，可用于制造光敏电阻、太阳能电池、半导体激光器、光催化剂等。1.5.1 光敏电阻光敏电阻（photocell）又称光敏电阻器（photoresistor or light-dependent resistor，后者缩写为ldr）或光导管（photoconductor），常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降13。1.5.2太阳能电池器件硫化镉(CdS)是直接带隙II-VI族化合物半导体，禁带宽度为2.42eV,能透过绝大部分阳光,是一种良好的窗口层材料和过渡层材料。现己广泛用于红外探测器和薄膜太阳能电池的窗口层，如用来作为CdTe和CulnSe2的窗口层，在提高薄膜太阳能电池转换效率方面起到了显著的作用。现己成功制各了转化效率高达17的CdSCulnSe2结构型的太阳能电池和转化效率为165的CdSCdTe结构型的太阳能电池(结构示意图如图1-2所示)。这两种电池的结构是ITO玻璃基片n-CdSpCulnSe2(CdTe)电极，因此CdS薄膜的质量和n型掺杂浓度不仅直接影响吸收层薄膜质量的好坏，而且对电池的转换效率和寿命起着至关重要的作用14。图1-2 CdS/CdTe太阳能电池的结构示意图目前,如何寻求新材料、新结构来改善太阳电池的光伏性能参数是困扰光伏工作者的最大难题之一.在对传统太阳电池研究的基础上,叠层太阳电池的研究一经提出就倍受光伏界的关注.很多叠层太阳电池结构已经提出,并且取得了一定的成绩.例如,非晶硅叠层太阳电池中的a-Si/a-Si/a-SiGe三结叠层太阳电池和p-n型的GaInP2/GaAs叠层太阳电池.为了进一步研究提高电池效率的途径,在研究CdS/CdTe单层太阳电池的基础上,提出了CdS/CdTe叠层太阳电池的设计思路.目的在于提高Voc,改善Isc、FF。CdS/CdTe叠层太阳能电池示意图如图1-3所示15。图1-3 CdS/CdTe叠层太阳能电池示意图1.5.3半导体激光器半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生受激发射作用的器件。.其工作原理是通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间，或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。半导体激光器的激励方式主要有三种，即电注入式，光泵式和高能电子束激励式。电注入式半导体激光器，一般是由砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射。光泵式半导体激光器，一般用N型或P型半导体单晶（如GaAS,InAs,InSb等）做工作物质，以其他激光器发出的激光作光泵激励.高能电子束激励式半导体激光器，一般也是用N型或者P型半导体单晶(如PbS,CdS,ZhO等)做工作物质，通过由外部注入高能电子束进行激励。在半导体激光器件中，性能较好，应用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极管激光器16。1.5.4 光催化剂硫化镉还可作光催化剂使用。CdS的禁带宽度为2.4eV,具有很高的光催化活性,能够被可见光激发而进行光催化分解水或降解有机污染物,且其结构简单,容易制备"但诸多研究表明,许多窄禁带半导体本身在紫外一可见光照射下,往往表现出不稳定性,即产生光蚀现象"17。第二章 薄膜的制备与性能表征2.1 实验试剂与仪器表2-1 主要实验试剂名称纯度CdS靶99.99%丙酮（CH3COCH3）99.95%无水乙醇（CH3CH2OH）99.97%实验用水去离子水2.2 CdS薄膜的制备本实验采用磁控溅射法制备CdS薄膜材料，在ITO玻璃（氧化铟锡）上沉积一层CdS薄膜。图2-1磁控溅射工作原理示意图镀膜是在真空室中，利用辉光放电产生的正离子在电场作用下加速后轰击靶表面，使被轰击出的粒子在基片上沉积的技术。磁控溅射是在磁场控制下产生的辉光放电，在溅射室内加上与电场垂直的正交磁场，以磁场来改变电子的运动方向，使磁控靶表面的电子作旋轮线运动,这样电子能够在靶面附近滞留较长的时间而有较多的机会去撞击溅射气体原子,从而提高电子对工作气体的电离几率和有效利用电子的能量,经多次碰撞后的电子能量逐渐降低,摆脱磁力线的束缚，最终落在基片、真空室内壁等地方。其工作原理如图2-1所示,在阳极与阴极之间加一正交电磁场，电子 e 在电场的作用下，与氩原子碰撞,电离出 Ar+和二次电子 e1。靶材受到高速Ar+轰击后逸出的中性粒子向衬底迁移，到达衬底表面之后,经过吸附、凝结、表面扩散迁移、碰撞结合形成稳定晶核，晶粒长大后互相联结聚集,最后形成连续状薄膜18。2.2.1 基片的预处理本文中采用的基片为ITO（氧化铟锡）玻璃，首先用玻璃刀将ITO玻璃切成大小为25mm×25mm的样片。由于ITO玻璃表面容易吸附杂质而造成污染，为了使ITO玻璃表面和CdS薄膜之间结合的更加牢固且没有其它杂质，我们需要在制备前，对基片进行清洗。清洗过程为：（1）将基片放入烧杯中，加入适量的去离子水，放入超声波清洗机清洗8-10分钟。（2）取出基片，放入另一烧杯中，加入适量无水乙醇，放入超声波清洗机清洗8-10分钟。（3）取出基片，放入另一烧杯中，加入适量丙酮，放入超声波清洗机，清洗8-10分钟。（4）取出基片，放入另一烧杯中，加入适量无水乙醇，进一步清洗8-10分钟，取出基片并干燥，放入基片托盘待用。2.2.2 磁控溅射材料本文中使用的磁控溅射材料为纯度为99.99%的CdS靶。2.2.3磁控溅射步骤（1）开总电源，开水及总控电源。打开放气阀，待放弃完毕，关闭放气阀。升上盖，放溅射靶，放入阴极罩（内罩旋紧，外罩旋紧后回转720。），放入待溅射基片，降上盖。（2）打开机械泵、截止阀，打开真空计，打开预抽阀，待真空计示数低于2.0E0Pa时，关闭预抽阀，打开高阀，运行分子泵（启动时间约10分钟）。（3）待真空度达到1.5E-3Pa时打开射频总电源。待真空度达到9.5E-4Pa时关电离规，关小高阀，打开气瓶，开流量计及进气阀（通Ar气），调整流量（示数15.0），调节高阀控制气压到理想气压（根据参数调整）。（4）待“OFF”变红后可以开始溅射，按下“ON”按钮，调起辉，然后调节实验所需功率。待溅射完成后，按下“OFF”按钮，关闭射频总电源。关真空计，关流量计，关进气阀，关气瓶。（5）关闭高阀，停分子泵，待分子泵转数为零后，打开放气阀，待放气完毕，关闭放气阀，升上盖，取出样品，降上盖。（6）设备使用完毕后（关机前）需要抽预真空，开机械泵，开预抽阀，开真空计，待真空度达到2.0E0后，关闭预抽阀、机械泵、真空计。关闭总控电源，关水，关总电源。2.2.4 实验工艺参数实验所需的所有工艺参数如表2-2所示。采用正交实验法。表2-2 实验工艺参数表变量编号溅射功率溅射时间实验压强衬底温度靶材与衬底间距1#20W30min1.5pa室温6.5cm溅射功率2#40W30min1.5pa室温6.5cm3#60W30min1.5pa室温6.5cm4#80W30min1.5pa室温6.5cm溅射时间5#40W45min1.5pa室温6.5cm6#40W1h1.5pa室温6.5cm7#40W1.5h1.5pa室温6.5cm实验压强8#40W30min1pa室温6.5cm9#40W30min2pa室温6.5cm10#40W30min3pa室温6.5cm衬底温度11#40W30min1.5pa1006.5cm12#40W30min1.5pa2006.5cm13#40W30min1.5pa3006.5cm靶材与衬底间距14#40W30min1.5pa室温5.5cm15#40W30min1.5pa室温6.5cm16#40W30min1.5pa室温7.5cm2.3 CdS薄膜的性能表征本文采用多种材料分析手段研究了CdS薄膜的厚度、晶体结构、表面微观形貌及光学特性等。2.3.1 X射线衍射仪（XRD）X射线衍射仪是利用衍射原理，精确测定物质的晶体结构，织构及应力，精确的进行物相分析，定性分析，定量分析。广泛应用于冶金、石油、化工、科研、航空航天、教学，材料生产等领域19。晶体可以作为X射线的空间衍射光栅，即当一束X射线通过晶体时将会发生衍射；衍射波叠加的结果使射线的强度在某些方向上增强、而在其它方向上减弱；分析在照相底片上获得的衍射花样，便可确定晶体结构。晶体衍射基础的著名公式布拉格定律：2d sin=n （2-1）式中： X-射线的波长d点阵平面间距布拉格（Bragg）衍射角度衍射的级数n为任何正整数从探测器得到一系列的峰谱可以得到相应的一系列衍射晶面间距(d值)，如果从衍射图上各个峰相应的晶面间距(d值)和某晶体的PDF卡片上的d值一致，就可以由衍射谱将晶体的物相结构确定下来。衍射峰的峰形也可反映样品的晶粒尺寸。晶粒尺寸的大小会影响衍射峰的尖锐程度。晶粒尺寸较小，导致衍射线束宽化，其间关系可表示为 Dkhl=k/(B1/2cos) （2-2）式中： Dkhl晶粒大小（沿晶面垂直方向）X-射线的波长BXRD衍射峰的半高宽（FWHM）强度处的线宽，表示单纯因为晶粒度细化的宽化度，单位为弧度布拉格（Bragg）衍射角度本文所用的X-射线衍射仪为SHIMADZU XRD-7000，测试条件为入射光Cu K的波长为1.5406 Å，管电压为40kV，电流为30mA，扫描速度为4º/min，扫描范围10 º-80 º。图2-2 X射线衍射仪2.3.2紫外-可见光分光光度计紫外-可见光谱仪涉及的波长范围是0.2-0.8微米（对应的波数为50000-12500cm-1），测量光谱可以进行定性分析及定量计算。物质的吸收光谱本质上就是物质中的分子和原子吸收了入射光中的某些特定波长的光能量，相应地发生了分子振动能级跃迁和电子能级跃迁的结果。由于各种物质具有各自不同的分子、原子和不同的分子空间结构，其吸收光能量的情况也就不会相同，因此，每种物质就有其特有的、固定的吸收光谱曲线，可根据吸收光谱上的某些特征波长处的吸光度的高低判别或测定该物质的含量，这就是分光光度定性和定量分析的基础。本文采用UV-350/S型紫外-可见光分光光度计测量CdS薄膜的吸收率及透射率，并通过透射率计算了薄膜的光学带隙。2.3.3原子力显微镜（AFM）AFM全称Atomic Force Microscope，即原子力显微镜，它是继扫描隧道显微镜之后发明的一种具有原子级高分辨的新型仪器，当原子间距离减小到一定程度以后，原子间的作用将迅速上升。因此，由显微探针受力的大小就可以直接换算出样品表面的高度，从而获得样品表面形貌的信息。可以在大气和液体环境下对各种材料和样品进行纳米区域的物理性质包括形貌进行探测，或者直接进行纳米操纵；现已广泛应用于半导体、纳米功能材料、生物、化工、食品、医药研究和科研院所各种纳米相关学科的研究实验等领域中，成为纳米科学研究的基本工具。本文使用日本岛津SPM9500-J3型原子力显微镜对ITO玻璃衬底CdS薄膜表面形貌进行观察和分析，采用静态模式，扫描范围为2.5m×2.5m。图2-3 原子力显微镜第三章 结果与讨论磁控溅射镀膜过程中，工艺参数的变化对薄膜的组织结构、透光率等性能有很大影响。本章主要探讨磁控溅射中溅射功率、溅射时间、衬底温度、工作气压及靶间距对CdS薄膜的表面形貌特征、厚度、透光率和结构的影响规律。3.1功率对CdS薄膜性能影响图3-1是不同溅射功率条件下制备的CdS薄膜的实物照片。图3-1 不同溅射功率CdS薄膜3.1.1 XRD分析图3-2 不同溅射功率的CdS薄膜XRD图谱图3-2是不同功率制得的CdS薄膜的XRD衍射图谱，XRD图样记录了以4°的速度步进扫描从10°到80°扫描的结果。可以看到，溅射功率为20W时，制备的试样的XRD图谱的衍射峰很弱，表明20W的CdS薄膜结晶不好，这可能是因为20W的溅射功率过小，不足以制备具备较好晶体结构的CdS薄膜。下面只分析溅射功率为40W、60W、80W的CdS薄膜的XRD数据。 在2 等于26.72°处铅锌矿结构的六角相H(002)和闪锌矿结构的立方相C(111)晶面的衍射峰位相差很小，难以区分。 2等于35.40°、48.05°、50.75°、54.72°处出现了六角相衍射峰H(102)、H(103)、H(200)、H(004)，2等于30.41°处出现了立方相C(200) 衍射峰，表明上述样品为六角相和立方相的混晶结构。2等于26.72°处H(002)/C(111) 的衍射峰位相对强度较大，表明CdS 薄膜择优取向明显。随功率的升高，2等于26.72°处衍射峰逐渐增强，表明CdS薄膜C(111)/H(002)晶面的择优取向随功率的升高而增强。3.1.2 AFM分析图3-3为溅射功率为40W、60W、80W的CdS薄膜试样，从图中可以大致看出晶粒尺寸随功率的增强而增大。由于 CdS 薄膜的形貌和颗粒大小会影响薄膜的电学性能，而原子力显微镜(AFM)分辨率高达纳米量级，因此，我们可借助原子力显微镜来评估CdS薄膜的质量。(a) (b) (c) (d)图3-3（a）溅射功率为20W试样（b）溅射功率为40W试样，（c）溅射功率为60W试样，（d）溅射功率为80W试样图3-3(a)为溅射功率为20W的薄膜的形貌图，晶粒尺寸约为115nm，其粗糙度约为3.683nm。图3-3(b)给出了溅射功率为40W的薄膜的形貌图，晶粒尺寸约为125nm，其粗糙度约为4.515nm。图3-3(c) 给出了溅射功率为60W的薄膜的形貌图，晶粒尺寸约为140nm，其粗糙度约为6.394nm。图3-3(d) 给出了溅射功率为80W的薄膜的形貌图，晶粒尺寸约为160nm，其粗糙度约为6.683nm。从数据可知随着溅射功率的增加，晶粒尺寸不断增加，其粗糙度也随之增加。而大的表面粗糙度会影响上层配置结构的薄膜太阳能电池吸收层和相应pn结的质量，对于下层配置的薄膜太阳能电池则会增大入射