太阳能电池减薄中酸性溴溶液的化学处理的研究

摘要

本文介绍了我们华林科纳一种通过化学蚀刻来减小吸收器厚度的方法。我们用HBr/Br/Br2/H2O蚀刻来制备2.7~0.5μm之间规定厚度的CIGSe以及采用石墨炉原子吸收光谱微量分析法测定CIGSe的溶解动力学速率。x射线光电子能谱分析表明，处理表面酸性溴溶液的蚀刻过程提供了一个控制的化学变薄过程，这使得几乎平坦的表面和非常低的表面Se0 成为可能。

实验细节

刻蚀条件：本文的溶液氢溴酸：溴：水配方为0.25molL−1：0.02molL−1，超纯去离子水。溶解过程在20±0.5°C下使用40rpm的垂直旋转磁盘系统进行。蚀刻后，样品在去离子水中冲洗，用氮气干燥，并在进行XPS实验时保持在受控制的条件下。

刻蚀溶液分析：在蚀刻过程中，用校准移液管提取少量溶液样品，并立即用等量的新蚀刻溶液替换。用石墨炉原子吸收光谱仪在提取的样品组中测量每个溶解阶段的溶解产物量。注意：在这项工作中，每个样品都配有镓和铜元素。

XPS：在进行表面分析之前，样品在高纯度去离子水(18MΩ厘米)中仔细冲洗，并在N2通量下干燥。XPS表面化学分析是使用Thermo Electron K-Alpha光谱仪中单色Al-Kα射线源(1486.6eV)。充电补偿可以用来克服玻璃基板引起的充电效应。

实验结果和讨论

如图1所示，我们证明了对于每种元素，溶解产物的浓度随浸没时间呈线性增加，直到整个CIGSe层溶解时达到稳态值。每个元件的饱和时间相同，那么这就取决于样品转速、初始CIGSe厚度、溴浓度、浴槽温度。从图1中我们可以看出轻微的变化总是在7min左右可感知，然而在第一个近似中，我们可以假设溶解过程的蚀刻速率恒定。基于在15.7min处完全溶解的假设，我们可以确定在本工作中使用的实验条件下，0.17μmmin−1的恒定速率。因此我们可以肯定蚀刻CIGSe厚度估计与蚀刻持续时间成正比。

多个实验结果表明，非常稳定的蚀刻过程与溴在酸性介质中的氧化特性有关。溶解的线性特性导致一旦设置了槽工程(Br2浓度、温度、流体动力学条件)，溶解的线性特性就可能会利用可重复的蚀刻速率。除此之外，初始粗糙度的下降是在蚀刻的第一阶段实现的。酸性介质中的观察结果与在中性介质中的观察结果相似，这表明一种独特的水平效应控制了非常粗糙的初始CIGSe表面的可重复扁平化。通过降低粗糙度，界面重组也可以降低。对溶解每个步骤的表面化学的XPS研究表明，酸性溴制剂在几乎整个蚀刻过程中都保持特定的表面。事实上，在短暂的初始阶段后，无论溶解的吸收剂厚度如何，我们都可以认为蚀刻留下了酸性介质特有的非常稳定的表面化学性质。这个特性对于化学工程来说是必不可少的。除了涉及几十纳米的蚀刻的初始步骤，我们说铟、铜、镓、硒的能量再分配是非常可再现的，如图1中收集的归一化光谱所证明的。

结论

本文证明了酸性溴溶液适用于CIGSe湿式化学稀薄。由于直接蚀刻产物滴定，我们证明了蚀刻机制是恒定的，并迅速达到其静止状态。通过控制水动力条件，可以准确地估计蚀刻速率，同时允许一个定量的厚度溶解预测。在实现和测试超薄(500nm)CIGSe太阳能电池的框架内，我们建立了一种可重复的通过化学蚀刻来减小吸收器厚度的方法。此外，利用连续的XPS分析，我们证明了所得到的表面组成是恒定的，这与动力学的准恒定特征相一致。这些结果表明，光伏装置的以下过程发生在一个恒定的化学成分。综上所述，酸性溴溶液提供了一个很好的化学变薄过程，这适用于CBD硫化镉沉积之前的氰化钾处理。我们在酸性介质中的方法为制造超薄和纳米结构的CIGSe太阳能电池提供了帮助。

审核编辑：符乾江