真空熱蒸發(fā)法制備SnS/In2S3異質(zhì)結(jié)及退火溫度對(duì)其整流特性影響

李弘楠，嚴(yán) 瓊

（福建江夏學(xué)院 電子信息科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350108）

真空熱蒸發(fā)法制備SnS/In2S3異質(zhì)結(jié)及退火溫度對(duì)其整流特性影響

李弘楠，嚴(yán) 瓊

（福建江夏學(xué)院 電子信息科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350108）

采用真空熱蒸發(fā)法制備SnS與In2S3薄膜，研究在不同熱退火溫度下對(duì)SnS與In2S3薄膜的物相和光學(xué)特性的影響。退火處理后的SnS薄膜的吸收邊位置大約在1.5 eV，In2S3薄膜有較高的透過率，可以滿足太陽電池的光學(xué)性能要求。制備得到結(jié)構(gòu)為ITO/In2S3/SnS/In/Ag的異質(zhì)結(jié)器件，并討論退火溫度對(duì)其整流特性的影響，當(dāng)退火溫度為300℃，器件整流特性最佳。

熱蒸發(fā)；退火溫度；SnS薄膜；In2S3薄膜；異質(zhì)結(jié)

硫化亞錫（SnS）作為一種P型半導(dǎo)體材料，禁帶寬度介于1.1～1.5 eV之間，理論光電轉(zhuǎn)化效率可達(dá)25%，其構(gòu)成元素儲(chǔ)量豐富、無毒[1-2]。 因此，SnS薄膜作為太陽電池吸收層材料具有廣闊的應(yīng)用前景。目前報(bào)道的 SnS薄膜制備方法眾多：如真空熱蒸發(fā)法[3]，噴霧熱解法[4]，電化學(xué)沉積法等[5]。CdS是目前最為常用的一種緩沖層材料，目前制備的SnS/CdS太陽電池，其轉(zhuǎn)換效率僅為1.3%[3]，由于CdS有劇毒性，并且其禁帶寬度較小，僅有2.4 eV，在光透過時(shí)會(huì)產(chǎn)生光損失。硫化銦（In2S3）無毒環(huán)保，且具有優(yōu)良光電特性，是一種理想的CdS的替代材料[6]。本研究采用熱蒸發(fā)法制備SnS、In2S3薄膜和金屬電極，得到具有良好整流特性的SnS/In2S3異質(zhì)結(jié)，并研究不同退火溫度對(duì)SnS、In2S3薄膜和SnS/In2S3異質(zhì)結(jié)整流特性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)過程

薄膜采用真空熱蒸發(fā)法制備，熱蒸發(fā)設(shè)備是由南光真空科技公司開發(fā)的WTX500/600-ISD-3型真空熱蒸發(fā)鍍膜機(jī)。蒸發(fā)過程在室溫下完成，腔體內(nèi)氣壓為1.5 mPa，蒸發(fā)速率為0.1 nm/s，基片旋轉(zhuǎn)速率為30～40 r/min，在ITO玻璃上順次沉積In2S3（粉體純度為99.8%)和SnS(粉體純度為99.6%)薄膜和金屬上電極，器件結(jié)構(gòu)為ITO(100nm)/In2S3(100nm)/SnS(500nm)/In/Ag，并探討在不同的熱退火條件下，對(duì)器件的整流特性的影響。

相關(guān)測試設(shè)備采用安捷倫科技公司研制的CARY 5000 Scan UV-VIS-NIR型分光光度計(jì)對(duì)薄膜的光學(xué)性能進(jìn)行測試。飛利浦公司研制的X’Pert Pro MPD型X射線粉末衍射儀來分析薄膜的物相結(jié)構(gòu)。利用Keithley 4200半導(dǎo)體參數(shù)測試儀測試器件的整流特性。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

圖1是在不同退火溫度下制備的SnS薄膜的XRD圖譜，經(jīng)比對(duì)，250℃下退火處理的樣品其主要衍射峰位與SnS（標(biāo)準(zhǔn)卡PDF#00-001-0984）和SnS2（標(biāo)準(zhǔn)卡PDF#01-089-2357）的衍射峰位置相吻合。300℃下退火處理的樣品其主要衍射峰位與SnS（標(biāo)準(zhǔn)卡PDF#00-001-0984）和SnS2（標(biāo)準(zhǔn)卡PDF#01-089-3198）的衍射峰位置相吻合。250℃和300℃下退火處理的SnS薄膜其衍射峰的位置和強(qiáng)度基本不變，但是300℃下退火處理的SnS薄膜出現(xiàn)了更多屬于SnS2物相的衍射峰。當(dāng)退火溫度升高到350℃時(shí)，主要物相變?yōu)镾n2S3（標(biāo)準(zhǔn)卡PDF#01-072-0031）。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，隨退火溫度的升高，SnS薄膜經(jīng)歷了從SnS到SnS2，再到Sn2S3物相變化。中間生成的SnS2可能只是SnS到Sn2S3物相變化過程中的過渡相。

圖2是在不同退火溫度制備的In2S3薄膜的XRD圖譜。在250℃以下退火處理的樣品無衍射峰存在，說明在此條件下的In2S3薄膜是非晶的。 在300℃下退火處理的樣品和350℃下退火處理的樣品的衍射峰位與標(biāo)準(zhǔn)卡為PDF#01-084-2495的In2S3的衍射峰位相吻合，其衍射峰的位置和強(qiáng)度基本不變。當(dāng)退火溫度達(dá)到400℃時(shí)，出現(xiàn)非常多的雜相，找不到標(biāo)準(zhǔn)卡與其比對(duì)。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，隨退火溫度的升高，In2S3薄膜經(jīng)歷了從非晶到結(jié)晶再到物相不確定的過程，且物相變化隨溫度變化很敏感。

圖1 不同退火溫度下制備的SnS薄膜的XRD

圖2 不同退火溫度下制備的In2S3薄膜的XRD

圖3是SnS薄膜在250～350℃退火溫度下的光吸收率。在250和300℃條件下退火的SnS樣品具有非常明顯的吸收邊，吸收邊位置大約在1.5 eV，即SnS薄膜對(duì)于光子能量大于1.5 eV的光子，有很高的光吸收率，證明SnS薄膜是一種理想的太陽電池吸收層材料。而在350℃條件下退火的樣品，其光吸收率明顯下降。結(jié)合之前的物相分析，可推測其原因?yàn)樵诖送嘶饤l件下SnS薄膜原有的物相結(jié)構(gòu)遭到破壞，進(jìn)而降低了其光學(xué)特性。

圖4是在不同退火溫度下制備的In2S3薄膜的透射光譜。退火溫度從300℃升到400℃過程中，In2S3薄膜的透過率出現(xiàn)了先增大而后減小的趨勢。在400～700 nm范圍內(nèi)，In2S3薄膜的透射率迅速增大，對(duì)于波長范圍在650～800 nm的光，其平均透射率在40%以上，是較為理想的緩沖層材料。

圖3 不同退火溫度下制備的SnS薄膜的光吸收率

圖4 不同退火溫度下In2S3薄膜的透射率

經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)于未經(jīng)退火處理的SnS/In2S3異質(zhì)結(jié)均不存在整流特性，并且整個(gè)異質(zhì)結(jié)呈高阻狀態(tài)。其原因主要是界面處的SnS和In2S3晶粒尺寸相差較大，導(dǎo)致界面處有較多間隙存在，造成器件開路。圖5是在300℃退火溫度下制備的SnS/In2S3異質(zhì)結(jié)I-V特性曲線，可以看出其具有優(yōu)良的整流特性：在正向偏壓下，正向電流隨電壓的升高呈指數(shù)曲線上升，其開啟電壓約為0.7 V；在反向偏壓下，反向電流近似為0。圖6是在350℃退火溫度下制備的SnS/In2S3異質(zhì)結(jié)I-V特性曲線，相較于圖5，其整流特性，尤其是開關(guān)比明顯降低，主要是因?yàn)樵诖藴囟认?，SnS產(chǎn)生了較多的雜相，導(dǎo)致了整個(gè)器件的電學(xué)特性退化。整流特性優(yōu)良的SnS/In2S3異質(zhì)結(jié)是制備高效率SnS薄膜電池的重要前提，其整流特性與熱退火條件密切相關(guān)，有望通過對(duì)SnS/In2S3異質(zhì)結(jié)更進(jìn)一步的探索，以提高SnS薄膜電池的效率。

圖5 300℃退火條件下SnS/In2S3異質(zhì)結(jié)的I-V特性曲線

圖6 350℃退火條件下SnS/In2S3異質(zhì)結(jié)的I-V特性曲線

3 結(jié)論

熱退火溫度對(duì)SnS和In2S3薄膜的物相變化影響顯著。在250～300℃范圍內(nèi)，SnS薄膜存在SnS2雜相。而在350℃退火條件下，SnS薄膜的主要物相轉(zhuǎn)變?yōu)镾n2S3。對(duì)于In2S3薄膜，退火溫度在300～350℃范圍內(nèi)，主要為In2S3物相，當(dāng)退火溫度上升到400℃后，原有的In2S3物相遭到破壞。退火處理后的SnS薄膜的吸收邊位置大約在1.5eV，In2S3薄膜有較高的透過率。探討了退火溫度對(duì)SnS/In2S3異質(zhì)結(jié)整流特性的影響。對(duì)于未退火的SnS/In2S3異質(zhì)結(jié)，均不存在整流特性，并且異質(zhì)結(jié)呈開路狀態(tài)；熱退火處理后，SnS/In2S3異質(zhì)結(jié)整流特性得到很大的改善，最佳熱退火溫度為300℃。

［1］VALIUKONIS G，GUSEINOVA D A，KRIVAITE G，et al．Optical spectra and energy band structure of layer－type AIVBVI compounds［J］．Phys Status Solidi B，1986，135：299–307．

［2］ENGELKEN R D，MCCLOUD H E，LEE CHUAN，et al．Low temperature chemical precipitation and vapor deposition of SnxS thin films［J］．Electrochem Soc，1987，134：2696–2707．

［3］REDDY K T R，REDDY N K，MILES R W．Photovoltaic properties of SnS based solar cells［J］．Solar Energy Materials and Solar Cells，2006，90（18／19）：3041－3046．

［4］TAKEUCHI K，ICHIMURA M，ARAI E，et al．SnS thin films fabricated by pulsed and normal electrochemical deposition［J］．Solar Energy Materials and Solar Cells，2003，75（3／4）：427－432．

［5］OGAH E OGAH，KOTTE RAMAKRISHNA REDDY，GUILLAUME ZOPPI，et al．Annealing studies and electrical properties of SnS－based solar cells［J］．Thin Solid Films，2011，519：7425－7428

［6］BUBE R H，MCCAROLL W H．Photoconductivity in indium sulfide powders and crystals［J］．J Phys Chem Solids，1959（10）：266．

(責(zé)任編輯：朱聯(lián)九）

SnS/In2S3Heterojunctions Prepared by the Vacuum Thermal Evaporation and the Effects of Annealing Temperature on the Rectification Characteristics of the Divices

LI Hong-nan,YAN Qiong
(College of Electronics and Information Science,Fujian Jiangxia University,Fuzhou 350108,China)

SnS and In2S3thin film were prepared by the vacuum thermal evaporation in this paper.Meanwhile,the influence of annealing conditions on phase transitions and the optical properties of SnS and In2S3films were studied.After annealing treatment,the absorption edge of SnS film was about 1.5 eV,and In2S3film had a high transmittance,which could meet the demand of the solar cells.The heterojunction devices with the structure of ITO/In2S3/SnS/In/Ag were prepared,and the influences of annealing temperature on the rectification characteristics were discussed.The devices showed that the rectification characteristics is the best when an annealing condition is 300℃.

thermal evaporation;annealing temperature;SnS thin film;In2S3thin film;heterojunction

O484.4

A

1673-4343（2017）02-0069-03

10．14098／j．cn35－1288／z．2017．02．012

2017-01-13

李弘楠，男，吉林農(nóng)安人，助教。主要研究方向：太陽電池與半導(dǎo)體器件。