CdS

基本信息：

分子量: 144.48 gm (77.81% Cd, 22.19% S)

CdS 是一种天然存在的矿物，具有两种不同的晶体结构：硫镉矿和方硫镉矿。

硫镉矿 [1] [2]:

  • 以发现该矿的土地的所有者Lord Greenock（1783-1859）的名字命名。
  • 1840 年在苏格兰Greenock发现。
  • 发现于暗色岩洞穴和矿脉中。
  • 一种不常见的硫化物矿床矿物。

密度（计算值）： 4.824 g/cm3

隶属：纤锌矿族

光泽：金刚砂、树脂光泽

颜色： 黄色至红色

条痕：橙黄色至砖红色

硬度（莫氏）： 3-3 ½

韧性：脆

解理： 明显/良好

  • {1122} 上明显，{0001} 上不完美

断口：贝壳状

方硫镉矿 [4]:

  • 以加拿大女王大学矿物学家 James Edwin Hawley 教授（1897-1965）的名字命名。
  • 在加拿大的 Hector-Calumet 矿中发现。
  • 发现于细粒闪锌矿和菱铁矿上的涂层上。

密度（计算值）： 4.87 g/cm3

隶属：闪锌矿族

光泽：金属光泽

颜色: 亮黄色

条痕：浅黄色

硬度（莫氏）： 2½ - 3

透明度: 不透明

解理：无

常见用途 [3]:

  • 肥皂、纺织品、纸张和橡胶的颜色。
  • 用于印刷油墨、陶瓷釉料、烟花、X 射线荧光屏和体温检测器。
  • 在某些工业产品中提供抗氧化和抗紫外线辐射的稳定性。
  • 用于制造颜色从黄色到深红色的颜料，具有高耐热性和耐光性。这些颜料主要用于塑料、陶瓷和油漆的着色。
  • 少量用于电池和其他电子元件。

晶体结构

硫镉矿 [2]: 双六角锥体

晶系：六方晶系

晶胞尺寸： a = 4.136Å, c = 6.713Å, Z = 2; 密度（计算值）= 6.06

轴比： a:c = 1 : 1.623

单位晶胞体积：99.45 Å3

空间群：P63mc

形态： 晶体半异极锥体。土质涂层（闪锌矿）。

孪晶：双晶面{1122}稀有三连晶。

X射线衍射 [6]:

                  X-RAY WAVELENGTH:         1.541838

                  MAX. ABS. INTENSITY / VOLUME**2:          122.0494781

 

2-THETA INTENSITY D-SPACING H L K
24.82 59.21 3.5824 1 0 0
26.52 42.68 3.3574 0 0 2
28.20 100.00 3.1607 1 0 1
36.64 25.83 2.4497 1 0 2
43.72 45.25 2.0683 1 1 0
47.87 45.29 1.8982 1 0 3
50.93 6.79 1.7912 2 0 0
51.87 33.85 1.7610 1 1 2
52.85 15.27 1.7307 2 0 1
54.62 2.33 1.6787 0 0 4
58.33 5.62 1.5803 2 0 2
60.88 2.38 1.5201 1 0 4
66.83 14.14 1.3985 2 0 3
69.33 4.60 1.3540 2 1 0
70.94 10.80 1.3273 2 1 1
72.44 5.12 1.3034 1 1 4
75.54 9.29 1.2575 1 0 5
75.66 4.52 1.2557 2 1 2
80.33 5.66 1.1941 3 0 0
83.34 13.69 1.1585 2 1 3
86.40 6.04 1.1251 3 0 2

方硫镉矿 [5]: 六面体

晶系：等轴测

晶胞尺寸： a = 5.818 Å, Z = 4

单位晶胞体积：196.93Å3

空间群：F4 3m

形态：细粒粉末涂料

X射线衍射 [7]:

X-RAY WAVELENGTH:       1.541838

MAX. ABS. INTENSITY / VOLUME**2:       213.1595047

2-THETA INTENSITY D-SPACING H L K Multiplicity
26.54 100.00 3.3590 1 1 1 4
30.74 23.16 2.9090 2 0 0 6
44.02 51.93 2.0570 2 2 0 12
52.14 39.02 1.7542 3 1 1 12
54.65 5.46 1.6795 2 2 2 4
64.01 7.15 1.4545 4 0 0 6
70.56 13.46 1.3347 3 3 1 12
72.68 5.95 1.3009 4 2 0 24
80.95 12.96 1.1876 4 2 2 12
87.03 6.95 1.1197 5 1 1 12
87.03 2.32 1.1197 3 3 3 4

光伏应用[10]：

 
多晶 CdS 薄膜具有适合太阳能电池制造的特性。它们具有良好的光学透过率、较宽的带隙和良好的电性能。 CdS薄膜还具有高吸收系数、电子亲和力、低电阻率和易于欧姆接触，也使其适合太阳能电池应用。由于这些特性，人们对直接带隙薄膜进行了大量研究，特别是因为它的中间带隙。 CdS 薄膜通常通过化学浴沉积来生长，因为这是一种更简单的技术，可以生产高质量的薄膜。有时也使用其他技术，例如电沉积、丝网印刷、溅射和喷雾热解。薄膜具有 a 相和 b 相，具体取决于沉积条件。 a-CdS 沿着垂直于衬底的 c 轴以柱状结构生长，因此没有平行于结的晶界。 CdS因其稳定性、合理的转换效率且沉积技术成本低廉而被用作窗口电极。
 
CdS 作为窗口层的图可以从参考文献[9]中找到。
 
含有化学浴沉积 CdS 的 Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) 太阳能电池已达到 20.3% 的创纪录效率。在这种情况下，CdS是缓冲层。该实例具有以下参数[11]：
 
开路电压：730 mV
 
填充系数：77.7%
 
分流电阻：880 Ω cm2
 
短路电流密度：35.7 mA/cm2
 
电子电流密度：4.2E-11 A/cm2
 
接触电阻率：0.23 Ω cm2
 
电极极化： 880 Ω cm2
 
光电流密度35.6 mA/cm2
 
二极管理想因子：1.38
 
电池面积：0.50 cm2
 
电池设置：
  • 钠钙玻璃 (3 毫米)
  • 溅射钼 (500–900 nm)
  • CIGS (2.5–3.0 µm)
  • 化学浴沉积 CdS 缓冲层 (40–50 nm)
  • 溅射未掺杂 ZnO (50–100 nm)
  • 溅射铝掺杂 ZnO (150–200 nm)
  • 镍/铝网格
 

300 K 时的基本参数 [14]

 
热容：53.97 + 3.77.10-3T J mol-1 K-1
 
熔点： 1750 K, 1405(10) ◦C
 
体积压缩率： 1.586.10-7 bar-1
 
 

能带结构：

 
带隙[12]: 2.42 eV
 
CdS 是一种直接能隙半导体，能隙最小，位于布里渊区中心。最上面的价带由于晶体场和自旋轨道耦合而分裂成三个自旋简并态。在这些价带态中由空穴形成的激子态分别表示为A、B和C激子。
 
计算出能带结构对称点的能量（相对于价带顶部E(Γ5V)）：
 
 经验紧束缚模型 [18K] 的能带结构与 [67B] 的赝势能带结构的比较可以从参考文献 [14] 中找到（不考虑与 Cd 4d 态和自旋轨道耦合相对应的能带）在此计算中）。
 
 未经掺杂的CdS 载流子浓度 [13]：1.19 × 1019 cm−3
 
温度依赖性：
 
A能隙与温度、实验点的能隙图可以从参考文献[14]中找到。
 
有效质量和态密度 [14]
 
   导带、有效质量
    根据实验，可以假设导带质量几乎是各向同性的。
   mn                           0.25 m0                       T= 300 K                        热电势
                                    0.2...0.16 m0              T= 25...700 K                迁移率分析, OMS, PPS
    价带、有效质量
                                    0.7 (1) m0                   T= 1.6 K                         激子磁吸收
                                    5 m0
 
 电性能基本参数 [14]
 
   机电耦合系数
   k31                           0.119                           T= 298 K                       超声共振
   k33                           0.262
   k15                           0.188
   kt                              0.154
 
流动性和霍尔效应[14]
 
                                    ≥10000 cm2/Vs         T= 30...40 K                  超纯晶体中峰值迁移率
                                    160 cm2/Vs                T= 300 K                       In-掺杂, n=5•1019 cm-3
 
光学特性 [14]
 
  折射率和双折射
 
  Δn (=n‖c - n ﻠ c)
  n ﻠ c                      n‖c                   Δn               λ [μm]                        T [K]
 2.573                 2.586                                     0.55                           293                prism
 2.479                 2.496                                     0.61
 2.417                 2.434                                     0.69
 2.358                 2.375                                     0.85
 2.296                       2.312                                                  1.50
 2.281                                                  1.678                          2                                       293                     interference
 2.258                                                  1.662                          6  
 2.187                                                  1.408                         14
 2.051                                                                                     18
 1.880                                                                                      24
 
  折射率的温度依赖性
 
                                                                          T [°C]         λ [μm]
(1/n ﻠ)dn ﻠ/dT     26.8(3)٠10-6 K-1        35...80        10.3           折射率的温度依赖性
(1/n‖)dn‖/dT      27.8(2)٠10-6 K-1
d(Δn)/dT           3.07(12)٠10-6 K-1
 
 
 
300 K 时 E T c (a) 和 E ‖ c (b) 的吸收系数 α 和法向入射反射率 R 的数值计算光谱依赖性图可以从参考文献 [14] 中找到。
 
 弹性常数 [15]: sE11, sE12, sD33, sE55, sD33, sD55
 
 声子频率 [14]
 
 
参考
 
[1] WebMineral, “Greenockite Mineral Data”, http://webmineral.com/data/Greenockite.shtml.
 
[2] J. Ralph, I. Chau, mindat Available at: <http://mindat.org> (2012).
 
[3] United States Department of Labor, “Chemical Identification, Production, and use
 
of Cadmium,” Occupational Safety and Health Administration, April 23rd 1993 . http://
 
 
[4] WebMineral, “Hawleyite Mineral Data”, http://webmineral.com/data/Hawleyite.shtml.
 
[5] J. Ralph, I. Chau, mindat, (2012). http://www.mindat.org/min-1834.html
 
[6] Downs R T (2006) The RRUFF Project: an integrated study of the chemistry,
 
crystallography, Raman and infrared spectroscopy of minerals. Program and Abstracts of the
 
19th General Meeting of the International Mineralogical Association in Kobe, Japan. O03-13
 
 
[7] Downs R T (2006) The RRUFF Project: an integrated study of the chemistry,
 
crystallography, Raman and infrared spectroscopy of minerals. Program and Abstracts of the
 
19th General Meeting of the International Mineralogical Association in Kobe, Japan. O03-13
 
 
[8] S. Schorn, “Hawleyite,” Mineralienatlas, 2012. http://www.mineralatlas.eu/lexikon/
 
index.php/MineralData?mineral=Hawleyite
 
[9] Y. Wakchaure, “Solar Cells,” www.nd.edu/~gsnider/EE698A/Yogesh_Solar_cells.ppt
 
[10] G. Sasikala, P. Thilakan, C. Subramanian, “Modifcation in the chemical bath deposition
 
apparatus, growth and characterization of CdS semiconducting thin films for photovoltaic
 
applications,” Solar Energy Materials & Solar Cells, vol. 62, no. 2000, pp. 275-293, October
 
 
[11] P. Jackson, et al., “New world record efficiency for Cu(In,Ga)Se2 thin-film solar cells
 
beyond 20%,” Progress in Photovoltaics: Research and Applications,vol. 19, no. 7, pp. 894-897,
 
November 2011.
 
 
[12] J. Britt, Thin‐film CdS/CdTe solar cell with 15.8% efficiency. Applied Physics 
 
Letters, 62, 2851-2852 (1993). http://ieeexplore.ieee.org/xpl/freeabs_all.jsp?
 
arnumber=4880703&abstractAccess=no&userType=inst
 
[13] S. Kose, et al., ‘Optical characterization and determination of carrier density of
 
ultrasonically sprayed CdS:Cu films,” Applied Surface Science, vol. 256. No. 13, April 2010.
 
 
[14] Madelung, O. (2004). Semiconductors: Data handbook. (3rd ed.). Springer.
 
[15] I.B. Kobiakov, “Elastic, piezoelectric and dielectric properties of ZnO and CdS single
 
crystals in a wide range of temperatures,” Solid State Communications, vol. 53, no. 3, July 1980.
 

 

这些有关光伏材料特性的页面主要由犹他大学本科生 Jeff Provost 和 Carina Hahn 与 Mike Scarpulla 教授合作开发。 Caitlin Arndt、Christian Robert、Katie Furse、Jash Sayani 和 Liz Lund 也做出了贡献。这项工作得到了美国国家科学基金会材料世界网络计划奖 1008302 的全力支持。这些页面是一项正在进行的工作，我们在此征求来自世界各地专业人士意见，以获取更多更准确的信息。请联系 [email protected] 提出建议。犹他大学和 NSF 均不保证这些数据的准确性。