[發(fā)明專利]一種沿一維鏈狀帶方向擇優(yōu)生長的硫化銻薄膜及其制備方法

在審

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• 申請日: 2020-07-16
• 公開（公告）號: CN111900077A
• 公開（公告）日: 2020-11-06
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 宋寧;歐于學(xué);楊佳;劉國豪;張君;司圣和;徐寶強;李紹元;萬賀利;楊斌;馬文會;熊恒;曲濤;李一夫;田陽;蔣文龍;劉大春;郁青春;戴永年
• 申請（專利權(quán)）人: 昆明理工大學(xué)
• 主分類號: H01L21/02
• 分類號: H01L21/02;H01L31/032;H01L31/0445
• 代理公司: 天津煜博知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 12246
• 代理人: 朱維

本發(fā)明公開沿一維鏈狀帶方向擇優(yōu)生長的硫化銻薄膜及其制備方法。本發(fā)明在等離子發(fā)生器的電場作用下，惰性氣體，如氬氣經(jīng)過電場作用后等離子化獲得高活性的氬離子和電子；高活性氬離子和電子相互碰撞回歸基態(tài)，釋放能量使得環(huán)境溫度升高，升高的環(huán)境溫度可以促進硫源熔化從而生成硫蒸氣，硫蒸氣在電場及高活性氬離子碰撞的作用下被等離子化；同時高活性氬離子、電子等粒子不斷與硫源表面碰撞，硫源直接等離子化。兩種路徑下，等離子化硫不斷增加，并與氬的各種粒子組合形成等離子態(tài)硫氣氛。等離子態(tài)硫氣氛通過熱運動擴散到金屬銻薄膜表面，并在加熱的條件下與金屬銻薄膜實現(xiàn)反應(yīng)，從而獲得到沿221、211和/或151晶面方向擇優(yōu)生長的硫化銻薄膜。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種沿一維鏈狀帶方向擇優(yōu)生長的硫化銻薄膜及其制備方法，屬于光電功能材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

硫化銻的晶體結(jié)構(gòu)屬于正交晶系輝銻礦結(jié)構(gòu)，屬于Pnma(#62)空間組，是一種綠色無毒，儲量豐富(銻在地殼中豐度為0.2ppm)，價格低廉的材料。Sb₂S₃的組成和物相都比較簡單，在常溫下只有一種物相組成，可有效避免制備過程中雜相生成的問題。

硫化銻(Sb₂S₃)有著合適的禁帶寬度(1.7-1.8eV)，大的吸光系數(shù)(短波吸光系數(shù)10⁵cm^-1)，大的相對介電常數(shù)(為9.5，大于CdTe的7.1)，是一種很有潛力的薄膜光伏吸收層材料、光催化材料及電催化材料。硫化銻也是特殊的一維帶狀材料，因此其各個方向上的載流子遷移率有顯著的區(qū)別，而遷移率又決定著載流子擴散長度從而影響電流密度。太陽能電池效率 N＝V_oc*J_sc*FF，其中Jsc即為電流密度，V_oc為開路電壓，F(xiàn)F為填充因子，它們是影響電池轉(zhuǎn)換效率的重要因素。而遷移率影響的就是公式里的電流密度J_sc。

從硫化銻作為吸收層的薄膜太陽電池研究過程來看，影響電池效率的因素主要有以下幾個方面：電子傳輸層與吸收層間的接觸問題，空穴傳輸層與吸收層間的接觸問題，吸收層本身的缺陷問題(如深能級缺陷)等。通過表面處理可改善接觸問題，效率有一定提升，然而硫化銻薄膜太陽電池最高效率依然只有7.5％。然而，根據(jù)理論計算1.7ev的禁帶寬度的硫化銻材料理論效率可以達到28％，可見效率的提升空間還很大。由此可推斷，既然層間接觸問題不是限制光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵因素，那么作為吸收層的硫化銻薄膜本身的缺陷就應(yīng)該是改善這類電池光電轉(zhuǎn)換效率的限制環(huán)節(jié)。對文獻中水浴法、電化學(xué)沉積法、真空熱蒸發(fā)法等方法制備的一系列硫化銻薄膜的XRD衍射峰進行研究發(fā)現(xiàn)，這些方法制備的硫化銻薄膜大多是沿著020、130、310等晶面擇優(yōu)生長，而硫化銻晶體為正交晶系，屬于Pnma(#62)空間組，沿001方向生長的一維帶狀結(jié)構(gòu)。沿001和相近方向的載流子傳輸能力遠高于xx0 方向的載流子傳輸能力。所以020、130、310晶面會抑制載流子的傳輸，間接增加載流子復(fù)合，減小開路電壓和短路電流，從而影響效率。

發(fā)明內(nèi)容