[發明專利]酸性條件下基于化學水浴法制備鎘鋅硫薄膜的方法

無效

• 申請號: 201010177408.8
• 申請日: 2010-05-14
• 公開（公告）號: CN101834232A
• 公開（公告）日: 2010-09-15
• 發明（設計）人: 曹萌;孫艷;吳杰;陳鑫;戴寧
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: H01L31/18
• 分類號: H01L31/18;H01L31/0232
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 郭英

技術領域

本發明涉及光電元器件，具體指一種酸性條件下基于化學水浴法制備鎘鋅硫薄膜的方法，它用于太陽能電池窗口層材料。

背景技術

隨著全球經濟的快速發展，煤炭、石油、天然氣等不可再生資源日益減少，尋找蘊藏豐富、不會枯竭，安全、干凈新能源成為當前人類面臨的迫切問題。占地球總能量99％以上的太陽能，具有取之不盡，用之不竭，沒有污染的特點，因而成為各國科學家競相開發和利用的新能源之一。

目前研究和應用最廣泛的太陽能電池主要是單晶硅、多晶硅和非晶硅系列光伏電池。然而硅電池發電成本是傳統發電成本的2至3倍，而且進一步提高硅材料光伏器件效率和降低成本的難度已經越來越大。相反，薄膜電池中雖然光電轉化效率較低、壽命較短，但低溫工藝技術降低了生產能耗，而且便于采用玻璃、不銹鋼等廉價襯底，相關的電子氣體及玻璃行業也已發展成熟，供應及價格較穩定。從市場前景來看，薄膜電池在光伏建筑一體化、大規模低成本發電站建設等方面的應用，將比傳統的晶體硅電池更為廣闊。CdTe和CuInGaSe₂太陽能電池是薄膜太陽能電池的典型代表。而Cd_1-xZn_xS薄膜是應用在CdTe和CuInGaSe₂太陽能電池中不可或缺的窗口層材料，Cd_1-xZn_xS薄膜的光電性能直接影響了光伏電池的轉換效率。

Cd_1-xZn_xS薄膜的制備方法有很多種，比如磁控濺射，電沉積，噴涂熱解，化學水浴等等。其中水浴法具有成本低、成膜溫度低、適合于制備大面積薄膜、易于實現連續生產、無污染、材料消耗量少等優越性，受到人們極大的關注，是目前太陽電池研究的熱點。沉積過程中鎘源、硫源比例和種類，緩沖劑計量，退火溫度和氣氛，襯底的處置對最終沉積所得的薄膜質量有重要影響。傳統的化學水浴制備Cd_1-xZn_xS薄膜的方法是在堿性條件下通過硫源提供S^2-與金屬離子結合并沉積在襯底表面。我們在酸性條件下合成了具有良好表面形貌及光學性能的Cd_1-xZn_xS薄膜，當鎘鹽采用醋酸鎘時在常溫下即可制備高質量的Cd_1-xZn_xS薄膜。

發明內容

本發明的目的是提供一種簡單可行的酸性條件下制備Cd_1-xZn_xS薄膜的方法，得到具有較好表面形貌、結晶性能和光學性能的光伏電池窗口層材料。

本發明的方法是利用酸性條件下的氫離子與硫源發生化學反應釋放出硫離子，與鎘(鋅)鹽水解(電離)產生的鎘(鋅)離子在襯底表面形成Cd_1-xZn_xS薄膜，沉積過程中尿素作為緩沖劑調節反應速度。

本發明的制備Cd_1-xZn_xS薄膜的方法包括如下步驟：

1.襯底的清洗

將FTO導電玻璃、石英片或硅片依次采用丙酮，酒精，去離子水超聲20分鐘，然后采用氮氣吹干，然后置于90℃的干燥箱中保存。

2.反應溶液的配置

鎘鹽和鋅鹽的摩爾濃度控制在0.006～0.01M，硫源的摩爾濃度控制在0.06～0.1M，氯化胺等緩沖劑的摩爾濃度控制在0.01～0.05M。按化學計量比稱取一定質量的鎘鹽，鋅鹽和硫源，以及緩沖劑，溶于一定體積的去離子水，并用稀釋的酸溶液調節PH值至3.5～5.5之間。

3.化學水浴沉積過程

常溫下反應溶液放置于密閉容器中，襯底用聚四氟乙稀制作的夾具固定垂直放置于反應溶液中密閉容器在水浴鍋中緩慢加熱至目標溫度，溫度計監控反應溶液溫度，沉積過程中對反應溶液作適當攪拌，并偶爾震動襯底。

4.沉積薄膜的清洗

沉積所得的薄膜在去離子水中超聲，去掉薄膜表面的大顆粒，氮氣吹干并放在常溫干燥箱中保存。

本發明在酸性條件下制備了Cd_1-xZn_xS薄膜，薄膜厚度在20～1500nm之間，薄膜粒徑大小在100～300nm之間，禁帶寬度在2.2～3.5eV之間。

本發明的優點是：所制備的Cd_1-xZn_xS薄膜致密均勻，具有良好的表面形貌以及光學性能。當鎘鹽采用醋酸鎘時可在常溫下制備高質量的Cd_1-xZn_xS薄膜。