[發明專利]一種二硫化亞鐵半導體薄膜的制備方法

有效

• 申請號: 201210128381.2
• 申請日: 2012-04-27
• 公開（公告）號: CN102642874A
• 公開（公告）日: 2012-08-22
• 發明（設計）人: 劉芳洋;孫凱文;蘇正華;蔣良興;韓自力;賴延清;李劼;劉業翔
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: C01G49/12
• 分類號: C01G49/12;C03C17/22
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所 43114
• 代理人: 顏勇

技術領域

本發明公開了一種化合物半導體薄膜的制備方法，具體地說是一種二硫化亞鐵半導體薄膜的制備方法；屬于光電材料新能源技術領域。

背景技術

環境污染和能源危機的日益嚴重，迫使人類尋求新的清潔可再生能源，在各種各樣的綠色能源中，太陽能以無污染，分布廣泛以及取之不盡等優點越來越受到人們的重視。目前，作為第三代太陽電池的薄膜太陽電池的研究和開發工作非常活躍，所涉及的材料也很豐富，其中碲化鎘(CdTe)和銅銦鎵硒(CIGS)的禁帶寬度與太陽光譜匹配度較好，且屬于直接帶隙材料，性能穩定，是很有希望的高效薄膜太陽電池。但是CdTe中的Cd是一種對人體有害的物質，而CIGS電池中的In和Ga在地殼中含量較少，這些都不利于大規模化生產，此外對元素含量進行精確控制的工藝也非常復雜。

與CdTe和CIGS晶體結構相似的過渡金屬硫化物FeS₂，禁帶寬度值為0.95eV，具有15～20％的理論轉換效率和較高的光吸收系數，組成元素來源豐富，化學穩定性良好，無毒無污染，制造太陽電池時可以薄膜形式使用，近年來研究人員圍繞其晶體結構、光電性能、光電化學性能、成膜技術及光電轉換器件應用等多方面開展了深入細致的研究。

目前研究制備二硫化亞鐵的方法主要可以分為直接法和間接法兩大類。直接法即通過物理或化學方法直接生成FeS₂，但通常合成的薄膜難以達到標準化學計量成分，存在S空位以及FeS_2-x等過渡相，需要通過進一步硫化來消除。間接法即首先制備出Fe、Fe-S或Fe-O等類型的前驅體膜，再在特定硫化氣氛中使先驅膜發生硫化反應生成具有比較理想成分的FeS₂薄膜。目前前驅體膜主要采用濺射、蒸發、噴霧熱解、分子束外延等真空方法制備。由于設備復雜，成本昂貴，不利于工業大規模生產，因此開展成本較低的液相沉積技術是十分必要的。

發明內容

本發明的目的在于提供工藝流程短、重現性好、成本低、易于大規模連續生產、薄膜成分可控并適于大面積生長的一種二硫化亞鐵半導體薄膜的制備方法。

本發明一種二硫化亞鐵化學式為FeS₂半導體薄膜的制備方法，包括以下步驟：

第一步：沉積基底表面處理

對沉積基底表面進行超聲振蕩清洗，得到表面預處理沉積基底；

第二步：陰、陽離子前驅體溶液配制

陽離子前驅體溶液配制：配制摩爾濃度為0.01～10M的硫酸亞鐵或氯化亞鐵水溶液，然后向溶液中加入占硫酸亞鐵或氯化亞鐵質量1％～20％的鐵粉；

陰離子前驅體溶液配制：配制摩爾濃度0.1～10M的氫氧化鈉溶液，然后在水浴加熱條件下向氫氧化鈉溶液加入占氫氧化鈉質量1％～40％的硫粉，反應生成多硫化鈉溶液；

第三步：基底表面沉積二硫化亞鐵薄膜預制層

將第一步處理后的沉積基底置于陽離子前驅體溶液中浸泡2～60秒后，用去離子水沖洗10～60秒，然后置于陰離子前驅體溶液中浸泡2～60秒后，用去離子水沖洗10～120秒；重復上述步驟，在沉積基底上沉積得到不同厚度的二硫化亞鐵薄膜預制層；

第四步：二硫化亞鐵薄膜預制層硫化熱處理

將第三步得到的沉積有二硫化亞鐵薄膜預制層的沉積基底置于保護氣氛中加熱至200～800℃，保溫時間為10～300分鐘，以載氣輸送硫源，進行硫化熱處理。

本發明一種二硫化亞鐵半導體薄膜的制備方法，所述沉積基底選自普通鈉鈣玻璃、導電玻璃、不銹鋼、鉬片、鈦片或塑料片中的一種，沉積基底的厚度為0.2～5mm。

本發明一種二硫化亞鐵半導體薄膜的制備方法，第一步中所述的超聲振蕩清洗包括超聲振蕩除油堿液清洗、超聲振蕩乙醇清洗、超聲振蕩水洗。

本發明一種二硫化亞鐵半導體薄膜的制備方法，第二步中陰離子前驅體配制時水浴加熱的溫度為30～90℃。

本發明一種二硫化亞鐵半導體薄膜的制備方法，第二步中所述反應生成多硫化鈉的時間為0.2～4h。

本發明一種二硫化亞鐵半導體薄膜的制備方法，第三步中所述的控制重復次數為5～500次。

本發明一種二硫化亞鐵半導體薄膜的制備方法，第三步中，沉積基底在陽離子前驅體溶液中浸泡后及在陰離子前驅體溶液中浸泡后，用去離子水沖洗時加超聲振蕩。

本發明一種二硫化亞鐵半導體薄膜的制備方法，所述第四步中的載氣選自氦氣、氬氣、氮氣中的至少一種，流量為1～10000sccm；所述硫源選自硫化氫或單質硫蒸汽中的至少一種，硫源占載氣的體積百分含量為1％～80％。