专利名称：酸性条件下基于化学水浴法制备镉锌硫薄膜的方法
技术领域：
本发明涉及光电元器件，具体指一种酸性条件下基于化学水浴法制备镉锌硫薄膜 的方法，它用于太阳能电池窗口层材料。
背景技术：
随着全球经济的快速发展，煤炭、石油、天然气等不可再生资源日益减少，寻找蕴 藏丰富、不会枯竭，安全、干净新能源成为当前人类面临的迫切问题。占地球总能量99%以 上的太阳能，具有取之不尽，用之不竭，没有污染的特点，因而成为各国科学家竞相开发和 利用的新能源之一。目前研究和应用最广泛的太阳能电池主要是单晶硅、多晶硅和非晶硅系列光伏电 池。然而硅电池发电成本是传统发电成本的2至3倍，而且进一步提高硅材料光伏器件效 率和降低成本的难度已经越来越大。相反，薄膜电池中虽然光电转化效率较低、寿命较短， 但低温工艺技术降低了生产能耗，而且便于采用玻璃、不锈钢等廉价衬底，相关的电子气体 及玻璃行业也已发展成熟，供应及价格较稳定。从市场前景来看，薄膜电池在光伏建筑一 体化、大规模低成本发电站建设等方面的应用，将比传统的晶体硅电池更为广阔。CdTe和 CuInGaSe2太阳能电池是薄膜太阳能电池的典型代表。而CdhZnxS薄膜是应用在CdTe和 CulnGaSe2太阳能电池中不可或缺的窗口层材料，CdhZnxS薄膜的光电性能直接影响了光伏 电池的转换效率。CdhZnxS薄膜的制备方法有很多种，比如磁控溅射，电沉积，喷涂热解，化学水浴 等等。其中水浴法具有成本低、成膜温度低、适合于制备大面积薄膜、易于实现连续生产、无 污染、材料消耗量少等优越性，受到人们极大的关注，是目前太阳电池研究的热点。沉积过 程中镉源、硫源比例和种类，缓冲剂计量，退火温度和气氛，衬底的处置对最终沉积所得的 薄膜质量有重要影响。传统的化学水浴制备CdhZnxS薄膜的方法是在碱性条件下通过硫源 提供S2—与金属离子结合并沉积在衬底表面。我们在酸性条件下合成了具有良好表面形貌 及光学性能的CdhZnxS薄膜，当镉盐采用醋酸镉时在常温下即可制备高质量的CdhZnxS薄 膜。
发明内容
本发明的目的是提供一种简单可行的酸性条件下制备CdhZnxS薄膜的方法，得到 具有较好表面形貌、结晶性能和光学性能的光伏电池窗口层材料。本发明的方法是利用酸性条件下的氢离子与硫源发生化学反应释放出硫离子，与 镉(锌)盐水解(电离)产生的镉(锌)离子在衬底表面形成CdhZnxS薄膜，沉积过程中 尿素作为缓冲剂调节反应速度。本发明的制备CdhZnxS薄膜的方法包括如下步骤1.衬底的清洗将FTO导电玻璃、石英片或硅片依次采用丙酮，酒精，去离子水超声20分钟，然后采用氮气吹干，然后置于90°C的干燥箱中保存。2.反应溶液的配置镉盐和锌盐的摩尔浓度控制在0. 006 0. 01M，硫源的摩尔浓度控制在0.06 0. 1M，氯化胺等缓冲剂的摩尔浓度控制在0. 01 0. 05M。按化学计量比称取一定质量的 镉盐，锌盐和硫源，以及缓冲剂，溶于一定体积的去离子水，并用稀释的酸溶液调节PH值至 3. 5 5. 5之间。3.化学水浴沉积过程常温下反应溶液放置于密闭容器中，衬底用聚四氟乙稀制作的夹具固定垂直放置 于反应溶液中密闭容器在水浴锅中缓慢加热至目标温度，温度计监控反应溶液温度，沉积 过程中对反应溶液作适当搅拌，并偶尔震动衬底。4.沉积薄膜的清洗沉积所得的薄膜在去离子水中超声，去掉薄膜表面的大颗粒，氮气吹干并放在常 温干燥箱中保存。本发明在酸性条件下制备了 CdhZnxS薄膜，薄膜厚度在20 1500nm之间，薄膜粒 径大小在100 300nm之间，禁带宽度在2. 2 3. 5eV之间。本发明的优点是所制备的CdhZnxS薄膜致密均勻，具有良好的表面形貌以及光 学性能。当镉盐采用醋酸镉时可在常温下制备高质量的CdhZnxS薄膜。
图1 :Cd0.95Zn0.05S 薄膜的 EDX 图。图2 =Cd0.95Zn0.05S 薄膜的 SEM 图。图3 Cd0.95Zn0.05S 薄膜的 XRD 图。图4 :Cd0.95Zn0.05S薄膜的吸收谱图。
具体实施例方式实施例1 1.清洗衬底将FTO导电玻璃在氯仿中超声清洗20分钟，然后用丙酮超声清洗20 分钟，继续在无水乙醇中超声清洗20分钟，N2吹干，备用。2.反应溶液配置按反应溶液0. 2L计算，称取氯化镉(0. 019M) 0. 8677克，硝酸锌 (0. 001M) 0. 0595克，硫代乙酰胺(0. 02M) 0. 3克，尿素(0. 5M) 6克，溶于0. 2L去离子水，用稀 释的酸溶液调节PH值至4. 5。3.化学水浴沉积过程常温下反应溶液放置于密闭容器中，衬底用聚四氟乙稀制作的夹具固定垂直放置 于反应溶液中密闭容器在水浴锅中缓慢加热至80°C，温度计监控反应溶液温度，沉积过程 中对反应溶液作适当搅拌，并偶尔震动衬底，反应90分钟后取出样品。4.沉积薄膜的清洗沉积所得的薄膜在去离子水中超声，去掉薄膜表面的大颗粒，氮气吹干并放在常 温干燥箱中保存。本实施例得到厚度约为400nm的Cda95Znatl5S薄膜。
图1、图2、图3、图4分别给出T Cda95Znatl5S薄膜的EDX, SEM, XRD,吸收谱图。实施例2:1.清洗衬底将FTO导电玻璃在氯仿中超声清洗20分钟，然后用丙酮超声清洗20 分钟，继续在无水乙醇中超声清洗20分钟，N2吹干备用。2.反应溶液配置按反应溶液0.2L计算，称取醋酸镉(0.02M) 1.066克，硫代乙酰 胺(0. 02M)0.3克，尿素(0. 5M)6克，溶于0. 2L去离子水，用稀释的酸溶液调节PH值至5。3.化学水浴沉积过程常温下反应溶液放置于密闭容器中，衬底用聚四氟乙稀制作的夹具固定垂直放置 于反应溶液中，密闭容器放在磁力搅拌器台面，并偶尔震动衬底，反应5个小时后取出样
品4.沉积薄膜的清洗沉积所得的薄膜在去离子水中超声，去掉薄膜表面的大颗粒，氮气吹干并放在常 温干燥箱中保存。本实施例得到厚度约为150nm的CdS薄膜。实施例3 1.清洗衬底将FTO导电玻璃在氯仿中超声清洗20分钟，然后用丙酮超声清洗20 分钟，继续在无水乙醇中超声清洗20分钟，N2吹干备用。2.反应溶液配置按反应溶液0. 2L计算，称取硝酸锌(0. 02M) 1. 19克，硫代乙酰 胺(0. 02M) 0. 3克，尿素(0. 5M) 6克，溶于0. 2L去离子水，用稀释的酸溶液调节PH值至4。3.化学水浴沉积过程常温下反应溶液放置于密闭容器中，衬底用聚四氟乙稀制作的夹具固定垂直放置 于反应溶液中密闭容器在水浴锅中缓慢加热至80°C，温度计监控反应溶液温度，沉积过程 中对反应溶液作适当搅拌，并偶尔震动衬底，反应180分钟后取出样品。4.沉积薄膜的清洗沉积所得的薄膜在去离子水中超声，去掉薄膜表面的大颗粒，氮气吹干并放在常 温干燥箱中保存。本实施例得到厚度约为220nm的ZnS薄膜。实施例4 1.清洗衬底将FTO导电玻璃在氯仿中超声清洗20分钟，然后用丙酮超声清洗20 分钟，继续在无水乙醇中超声清洗20分钟，N2吹干备用。2.反应溶液配置按反应溶液0. 2L计算，称取氯化镉(0. 02M)0. 9134克，硫代乙 酰胺(0. 02M) 0. 3克，尿素(0. 5M) 6克，溶于0. 2L去离子水，用稀释的酸溶液调节PH值至 5 · 5 ο3.化学水浴沉积过程常温下反应溶液放置于密闭容器中，衬底用聚四氟乙稀制作的夹具固定垂直放置 于反应溶液中密闭容器在水浴锅中缓慢加热至80°C，温度计监控反应溶液温度，沉积过程 中对反应溶液作适当搅拌，并偶尔震动衬底，反应溶液稳定在80°C反应20分钟，取出样品。4.沉积薄膜的清洗沉积所得的薄膜在去离子水中超声，去掉薄膜表面的大颗粒，氮气吹干并放在常温干燥箱中保存。 本实施例得到厚度约为130nm的CdS薄膜.
权利要求
一种酸性条件下基于化学水浴法制备镉锌硫薄膜的方法，其特征在于它包括如下步骤1).衬底的清洗衬底依次在丙酮，酒精，去离子水中超声20分钟，氮气吹干，然后置于90℃的干燥箱中保存；2).反应溶液的配置按化学计量比称取一定质量的镉盐，锌盐，硫源以及缓冲剂，溶于一定体积去离子水，并用稀释的酸溶液调节PH值；3).化学水浴沉积过程反应溶液放置于密闭容器，在水浴锅中缓慢加热至目标温度，沉积一定时间，沉积过程中对反应溶液作适当搅拌，并偶尔震动衬底；4).沉积薄膜的清洗沉积所得的薄膜在去离子水中超声，去掉薄膜表面的大颗粒，氮气吹干备用；
2.根据权利要求1所述的酸性条件下基于化学水浴法制备镉锌硫薄膜的方法，其特征 在于步骤2中所述的镉盐采用氯化镉、硫酸镉、醋酸镉、硝酸镉或碘化镉；所述的锌盐采用 氯化锌、硫酸锌、醋酸锌或硝酸锌；所述的硫源采用硫代硫酸钠、或硫代乙酰胺；所述的缓 冲剂采用尿素。
3.根据权利要求1所述的酸性条件下基于化学水浴法制备镉锌硫薄膜的方法，其特征 在于步骤2中所述的调节反应溶液PH值的稀释的酸溶液采用稀盐酸、稀硫酸或稀硝酸，溶 液PH值范围在3. 5 5. 5之间。
4.根据权利要求1所述的酸性条件下基于化学水浴法制备镉锌硫薄膜的方法，其特征 在于步骤3中所述的目标温度当镉盐采用醋酸镉时为20 90°C，当镉盐采用其余材料时 为 60 90°C。
5.根据权利要求1所述的酸性条件下基于化学水浴法制备镉锌硫薄膜的方法，其特征 在于步骤1中所述的衬底可采用载波片，毛玻璃，导电玻璃，硅片以及钛片。
全文摘要
本发明公开了一种酸性条件下基于化学水浴法制备镉锌硫(Cd1-xZnxS)薄膜的方法，该方法是在导电玻璃等衬底上，利用镉盐提供镉离子，锌盐提供锌离子，硫代硫酸钠或硫代乙酰胺提供硫离子，尿素作为缓冲剂，在衬底表面沉积形成Cd1-xZnxS薄膜。按化学计量比称取上述反应化学物质并溶于一定体积的去离子水，采用稀盐酸调节溶液pH值范围在3.5～5.5。反应溶液放置于密封的玻璃器皿中，并在带磁力搅拌器的水浴锅中缓慢加热至目标温度。本发明所制备的Cd1-xZnxS薄膜致密均匀，具有良好的表面形貌及光学性能。当镉盐采用醋酸镉时可在常温下制备高质量的Cd1-xZnxS薄膜。
文档编号H01L31/0232GK101834232SQ201010177408
公开日2010年9月15日 申请日期2010年5月14日 优先权日2010年5月14日
发明者吴杰, 孙艳, 戴宁, 曹萌, 陈鑫 申请人:中国科学院上海技术物理研究所