电化学沉积法制备硒化镉薄膜及其光电化学性能研究

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硒化镉(CdSe)具有合适的光学带隙和稳定的化学性质,使其在太阳能电池方面有着广泛的应用前景。本工作采用电化学沉积法以FTO导电玻璃为基底在硫酸镉(CdSO4)与二氧化硒(SeO2)的水溶液中制备CdSe薄膜。继而利用化学刻蚀、退火以及先退火再化学刻蚀等方法对电化学沉积的CdSe薄膜进行处理,提高了CdSe薄膜的光电化学性能。主要研究结果如下:(1)在电化学沉积CdSe薄膜的过程中,电解液中的H2SeO3首先发生还原反应形成Se2-,然后与Cd2+在FTO导电玻璃表面结合形成CdSe薄膜。研究发现当沉积电势为-0.65 V vs SCE、电解液pH为2.50的条件下沉积2400 s可以制备出表面致密、晶界清晰、禁带宽度为1.79 eV的立方闪锌矿CdSe薄膜。(2)化学刻蚀、退火、先退火再化学刻蚀等处理可显著提高CdSe薄膜的光电化学性能。当CdSe薄膜在7 mol dm-33 HCl溶液中化学刻蚀15 min后,其晶粒尺寸均匀、结晶性提高;同时CdSe薄膜的载流子密度增加(从8.005×1017 cm-3到3.373×1020cm-3),CdSe薄膜与FTO导电薄膜之间的电荷传递阻抗降低。经化学刻蚀的CdSe薄膜在零偏压下的光电流密度达到3.10 mA cm-2,比未处理的CdSe薄膜提高了约24倍(0.13 mA cm-2),光电转换效率达到0.21%。当CdSe薄膜在空气中500°C退火90 min后其晶体结构由亚稳态的立方闪锌矿转化为结晶性良好的六方纤锌矿,禁带宽度为1.71 eV,但载流子密度与阻抗变化不明显;研究发现CdSe薄膜退火后的光电化学性能比化学刻蚀后的要低,其零偏压光电流密度为1.50 mA cm-2,光电转换效率为0.19%,这是由于高温退火导致Se蒸发与氧化,在薄膜表面形成了复合中心。为了降低薄膜表面复合中心,将退火后的CdSe薄膜在7 mol dm-33 HCl溶液中化学刻蚀15 min,其零偏压下的光电流密度可达到5.90 mA cm-2,光电转换效率为1.13%;同时CdSe薄膜载流子密度增加(从退火后的1.302×10188 cm-3到4.220×10200 cm-3),阻抗也随之降低。
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