一种电沉积制备n型半导体ZnO薄膜的方法与流程

本发明涉及一种制备n型半导体ZnO薄膜的方法。

背景技术：

ZnO是典型的II-VI族直接带隙半导体，禁带宽度为3.37 eV，由于ZnO材料的特殊结构，在制备过程中比较容易实现掺杂；这种结构使得ZnO在可见光范围的透过率很高，是良好的太阳能电池n型半导体材料和窗口层材料重要组成部分。ZnO的含量丰富，成本低廉，且无毒，具有高度的热稳定性，同时易于掺杂，且电阻率可在10^-3-10⁵ Ω·cm范围内变动，显示出了极好的光电特性。n型半导体ZnO能用许多方法制备，如喷雾热解法、脉冲激光沉积法、金属有机化学气相沉积法、电沉积法等。其中电沉积方法操作简单，可在低温下操作，成本低，适合大规模工业生产而备受关注。

技术实现要素：

本发明目的是为了解决现有方法制备太阳能电池n型半导体ZnO薄膜透过率低的问题，而提供了一种电沉积制备n型半导体ZnO薄膜的方法。

本发明的一种电沉积制备n型半导体ZnO薄膜的方法是按照以下步骤进行的：

一、导电玻璃的前处理

对导电玻璃进行前处理，待用；

二、电沉积制备n型半导体ZnO薄膜

采用石墨作为阳极，以步骤一前处理后的导电玻璃作为工作电极，将阳极和工作电极放入n型半导体ZnO薄膜电沉积液中并在电解槽中通入氧气，进行恒压电沉积，沉积后，取出工作电极，用蒸馏水清洗；

三、ZnO薄膜的热处理

将步骤二得到的ZnO薄膜在温度为60 ℃条件下，进行热处理30 min， 随炉冷却至室温，即完成制备n型半导体ZnO薄膜；

其中，步骤一所述的导电玻璃为FTO导电玻璃，

步骤二所述的n型半导体ZnO薄膜沉积液是由1.5~2.0 mol/L的Zn(NO₃)₂溶液和25 mol/L KNO₃，1 mol/L柠檬酸溶液组成，ZnO电沉积液的pH值为5.5；

步骤二所述的沉积电压条件为：1.6 V，沉积时间为10 min，温度为50~70 ℃。

本发明包括以下有益效果：

本发明运用电沉积方法在FTO导电玻璃上制备透光率高的n型半导体ZnO薄膜，不但大大节省了生产成本，而且还具有沉积速率快，清洁生产，生产效率高等特征，非常适合大规模制备n型半导体ZnO薄膜。采用电沉积的方法制备的n型半导体ZnO薄膜分布均匀、严密并且杂质含量也很少，在可见光区范围内透光率很高，达到80%以上。

附图说明

图1是采用本发明的方法的n型半导体ZnO薄膜的XRD示意图，2Theta表示X射线的入射角度的两倍。曲线A表示基体的XRD示意图，曲线B表示电沉积后的ZnO薄膜；

图2是本发明的具体实施方式一电沉积前FTO的SEM图；

图3是本发明的具体实施方式一中ZnO薄膜的SEM图；

图4是本发明的具体实施方式一中ZnO薄膜的AFM图；

图5是本发明的具体实施方式一中得到的n型半导体ZnO薄膜的波长-透光率曲线图；

图6是本发明的具体实施方式一中得到的n型半导体ZnO薄膜的半导体类型测试图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式所述的电沉积制备n型半导体ZnO薄膜的方法，

它包括如下步骤：

一、导电玻璃的前处理

对导电玻璃进行前处理，待用；

二、电沉积制备n型半导体ZnO薄膜

采用石墨作为阳极，以步骤一前处理后的导电玻璃作为工作电极，将阳极和工作电极放入n型半导体ZnO薄膜电沉积液中并在电解槽中通入氧气，进行恒压电沉积，沉积后，取出工作电极，用蒸馏水清洗；

三、ZnO薄膜的热处理

将步骤二得到的ZnO薄膜在温度为60 ℃条件下，进行热处理30 min， 随炉冷却至室温，即完成制备n型半导体ZnO薄膜；

其中，步骤一所述的导电玻璃为FTO导电玻璃，

步骤二所述的n型半导体ZnO薄膜沉积液是由2.0 mol/L的Zn(NO₃)₂溶液和25 mol/L KNO₃，1 mol/L柠檬酸溶液组成，ZnO电沉积液的pH值为5.5；

步骤二所述的沉积电压条件为：1.6 V，沉积时间为10 min，温度为60 ℃。

本实施方式采用电沉积的方法在FTO导电玻璃上制备n型半导体ZnO薄膜，本实验实施方式用电沉积制备n型半导体ZnO薄膜的透光率达到了80%以上，为大规模生产n型半导体材料ZnO薄膜开辟了新途径。

本发明运用电沉积方法在FTO导电玻璃上制备透光率高的n型半导体ZnO薄膜，不但大大节省了生产成本，而且还具有沉积速率快，清洁生产，生产效率高等特征，非常适合大规模制备n型半导体ZnO薄膜。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的电沉积制备n型半导体ZnO薄膜的方法进一步说明，所述步骤一为：依次将FTO导电玻璃放到稀盐酸中清洗1次、蒸馏水洗FTO导电玻璃8次，用洗衣粉水超声清洗5次、用蒸馏水冲洗8次、丙酮清洗导电玻璃4次、用蒸馏水冲洗8次、以及无水乙醇清洗导电玻璃6次，用蒸馏水冲洗8次，然后吹干。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的电沉积制备n型半导体ZnO薄膜的方法进一步说明，所述步骤二中n型半导体ZnO 电沉积液的pH值均是用63%的浓硝酸溶液进行调节的。

图1为ZnO薄膜的XRD图。图中下面部分为基体的XRD谱图，分别在2θ=31.6°，34.4°,36.3°,60.0°出现了四个峰，此峰是六方纤锌矿结构ZnO的峰位。

图2和图3分别为FTO导电玻璃基体和沉积ZnO薄膜的SEM图。对比两图看出FTO导电玻璃基体电沉积的ZnO薄膜结构为颗粒状，颗粒大小几乎一致，分布均匀，结构致密，孔隙率较小，杂质含量少，铺满了基体表面。

图4为ZnO薄膜的AFM图，薄膜分布均匀，平铺在整个导电玻璃上。

图5为得到的n型半导体ZnO薄膜的波长-透光率曲线图。制备的ZnO薄膜在300 nm~900 nm波长范围内的透过率变化情况的扫描曲线图。当波长大于350 nm时随着波长的增加透过率逐渐增大，达到接近900 nm时透过率逐渐趋于平稳。说明ZnO薄膜在可见光区范围内透光率很高，能达到80%以上，完全能够起到透光性半导体材料的作用。

图6为得到的n型半导体ZnO薄膜的半导体类型测试图。冷热两端的电势差为-173 mV，电压值为负，因此可以判断通过正交试验得到的最优条件下制备的ZnO薄膜为n型半导体。