[發明專利]一種制備銅鉍硫薄膜的方法

有效

• 申請號: 201610649224.4
• 申請日: 2016-08-10
• 公開（公告）號: CN106086788B
• 公開（公告）日: 2018-04-10
• 發明（設計）人: 韓俊峰;劉雨濃;姚裕貴
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: C23C14/06
• 分類號: C23C14/06;C23C14/18;C23C14/24;C23C14/58
• 代理公司: 北京理工大學專利中心11120
• 代理人: 楊志兵,仇蕾安

技術領域

本發明涉及一種制備銅鉍硫薄膜的方法，屬于半導體材料領域。

背景技術

太陽能是一種清潔、無污染、取之不盡用之不竭的可再生能源，而且不產生任何的環境污染，因此備受人們的青睞。在太陽能的有效利用當中，大陽能光電利用是近些年來發展最快、最具活力的研究領域，為此人們研制和開發了太陽能電池。太陽能電池主要是以半導體材料為基礎，利用其吸收光后發生光電轉換效應，從而將太陽能轉化為電能，其工作原理如下：太陽光照在半導體p-n結上，形成激發的空穴-電子對，在p-n結電場的作用下，光生空穴由n區流向p區，光生電子由p區流向n區，形成光電流。

薄膜化合物太陽能電池由于制備過程中能耗較低、產業鏈較短以及在柔性器件方面具有巨大的應用潛力，發展非常迅速。考慮到原料儲量、制作工藝以及環境保護等方面，銅鉍硫材料(CuBiS₂)可以說是一個非常有前景的選擇。銅鉍硫材料的能帶寬度在1.4～1.6eV左右，吸收系數大于1×10⁴cm^-1，具有P型的本征摻雜，載流子濃度可以達到1×10¹⁷cm^-3，能與N型窗口層材料構成異質結，銅鉍硫材料的理論轉換效率可以超過28％，是潛在的高效光伏電池的材料。

目前，制備銅鉍硫薄膜的方法有噴霧熱解法、化學水浴沉積方法、反應濺射法、共蒸發法以及電沉積金屬預制層然后硫化法。熱解噴霧法和化學水浴沉積方法會引入大量的雜質，導致半導體材料一方面結晶性能不好，一方面電學性能達不到光伏電池的要求。反應濺射法和共蒸發方法都是真空鍍膜的方法，可以獲得較高品質的薄膜，但是兩者對設備的控制要求較高，如調控元素比例，控制反應氣氛等。電沉積的薄膜一般較為純凈，但是電沉積受制于電場分布的控制，制備的樣品均勻性差。

發明內容

針對現有技術中存在的缺陷，本發明的目的在于提供一種制備銅鉍硫薄膜的方法，本發明所述方法工藝簡單、易于操作且適于規模化生產；所制備的銅鉍硫薄膜成分均勻、雜質含量少，在太陽能電池領域具有良好的應用。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的。

一種制備銅鉍硫薄膜的方法，所述方法步驟如下：

步驟1.將潔凈的基底放入真空蒸鍍裝置中，真空蒸鍍裝置的腔室壓強控制在1×10^-5Pa～5×10^-2Pa，打開鉍蒸發源的電源將鉍蒸發源加熱至200℃～300℃，然后開始金屬鉍的蒸鍍，基底上沉積的金屬鉍薄膜達到所需厚度后，關閉鉍蒸發源的電源停止金屬鉍的蒸鍍；待真空蒸鍍裝置的腔室內溫度降至100℃以下且壓強控制在1×10^-4Pa～5×10^-2Pa時，打開CuS蒸發源的電源將CuS蒸發源加熱至800℃～1100℃，然后開始CuS的蒸鍍，金屬鉍薄膜上沉積的CuS薄膜達到所需厚度后，關閉CuS蒸發源的電源停止CuS的蒸鍍；待真空蒸鍍裝置的腔室內溫度降至100℃以下時，停止對真空蒸鍍裝置抽真空，取出沉積金屬鉍薄膜和CuS薄膜的基底；

步驟2.在加熱爐中放置固體硫，并在距離固體硫5cm～20cm處放置沉積金屬鉍薄膜和CuS薄膜的基底；然后，先對加熱爐進行抽真空處理，再通入流量為20sccm～100sccm的氫氬混合氣體，且控制加熱爐內的壓強為20torr～100torr；最后在400℃～600℃下熱處理30min～60min，冷卻后加熱爐中還有固體硫存在，基底上沉積的薄膜即為所述的銅鉍硫薄膜。

優選的，所述基底是厚度為0.2mm～4mm，在波長為400nm～3000nm電磁波下的透過率≥90％的玻璃。

基底上沉積的金屬鉍薄膜的厚度優選

金屬鉍薄膜上沉積的CuS薄膜的厚度優選

所述氫氬混合氣體中，氫氣與氬氣的體積比為1:4～19。

優選的，基底的清洗方法如下：將基底放入半導體清洗劑和去離子水按1:50質量比配制的混合溶液中，然后加熱到60℃～70℃，保持15min～30min后，繼續升溫至80℃～90℃，超聲清洗15min～30min后，取出基底并用去離子水反復沖洗3～5次，再用純度≥99.999％的N₂吹干。

有益效果：

(1)本發明中采用玻璃作為銅鉍硫薄膜電池的基底材料，這是因為玻璃具有廣泛的適用性且價格低廉，制備的銅鉍硫薄膜能夠使用于對太陽能電池各種要求的地方，如光伏發電站、光伏建筑一體化等方面。