泡沫金属负载的铜铟硫半导体光伏材料制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种铜铟硫半导体光伏材料的制备方法，属于材料领域。
【背景技术】
[0002]黄铜矿型1-1I1-VI2族半导体具有良好的光电转换性能，Cu (In，Ga) Se2薄膜太阳能电池的光电转换效率高达20.3% ;但是，由于硒元素有毒，因而限制了其应用。尽管CuInS2薄膜太阳能电池的光电转换效率目前只有13%，但是CuInS2是直接禁带半导体，带隙能约
1.5eV，与太阳光谱十分匹配，而且吸收系数高(15CnT1);更重要的是，CuInS2中不使用有毒元素，具有环境友好的特征。因此，CuInS2是最具发展前途的光伏材料之一。
[0003]由于高比表面积低维纳米结构可以有效促进光吸收和电荷分离，因而CuInS2半导体纳米晶、纳米线、纳米棒、纳米管等具有较高的光电转换效率。但是，半导体晶粒间界面阻力导致光生电子不能有效传输到外电路，因而限制了 CuInS2光电转换效率的进一步提高。
[0004]泡沫金属不仅具有高比表面积，而且具有高的导电性。为此，本发明提出在泡沫金属上负载均匀连续的CuInS2半导体光伏材料，形成以三维互通金属线为芯的半导体管状结构，从而提闻收集和传输光生电子的能力。
【发明内容】
[0005]本发明提供一种泡沫金属负载的铜铟硫半导体光伏材料制备方法，其特征在于:采用电化学方法在泡沫金属基体上均匀连续负载3ηπΓ? μ m的铜铟硫半导体层。
[0006]泡沫金属基体包括单一金属和金属合金，例如泡沫铜、泡沫铝、泡沫镍、泡沫铁、泡沫黄铜、泡沫铁镍铬。
[0007]在泡沫金属基体上首先通过电化学方法制备铜铟硫半导体层。可以采用一步电沉积法制备铜铟硫半导体层，也可以采用分步法制备铜铟硫半导体层。采用一步法时，可在含有Cu2+、In3+、S2O32的电解液中进行。采用分步法时，可先沉积铜金属层，再沉积铟金属层，然后再硫化；也可以先沉积铜铟合金层，然后再硫化。
[0008]在泡沫金属基体上通过恒电位共沉积的方法制备铜铟合金膜时，电解液中铜盐和铟盐的浓度均为2?20mM，铜盐和铟盐的摩尔比为2:广1:2，铜盐和铟盐可采用氯化物、硫酸盐、硝酸盐、乙酸盐，但不局限于这些种类的盐。电解液中络合剂三乙醇胺的加入量为(T0.5M ;也可以采用邻苯二甲酸氢钾做络合剂，加入量为(T0.1M。电解液中柠檬酸钠的加入量为(T0.1M。电解液pH值控制在2.(Γ5.0，沉积电位为-800? -1lOOmV (相对于饱和甘汞电极)，沉积时间为l(T60min，电解液温度为2(T50°C。
[0009]铜铟合金膜的硫化退火过程中，以升华硫为硫源，退火温度控制在300-500°C之间；退火时间为15-120min。
[0010]该发明提供的泡沫金属负载铜铟硫半导体光伏材料，形成以三维互通金属线为芯的半导体管状结构，而不是半导体量子点。与传统导电基体上制备的半导体光伏材料相比，泡沫金属负载铜铟硫半导体光伏材料的光电转换性能显著提高。
【附图说明】
[0011]图1是在铟锡氧化物(ΙΤ0)导电玻璃上沉积的铜铟硫薄膜电极的电流-电位曲线。
[0012]图2是泡沫镍负载的铜铟硫半导体电极的电流-电位曲线。
【具体实施方式】
[0013]对比例
在50mL 5mM氯化铜溶液中加入0.2M的三乙醇胺作为络合剂，0.0lM柠檬酸钠作为缓冲剂，用浓硫酸将电解液pH值调至5.0左右,然后加入5mM氯化铟，用氢氧化钠溶液将溶液pH值调至4.00。
[0014]以IcmX Icm铟锡氧化物(ITO)导电玻璃作为工作电极，钼网为对电极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极，室温下在-1OOOmV恒电位沉积30min。
[0015]待薄膜干燥后对其进行硫化热处理，将薄膜置于管式炉的石英管中，称取2g硫粉放在石英管的进气口方向，以5°C /min的升温速率将温度升至400°C煅烧90min，得到铜铟硫半导体薄膜。
[0016]以CuInS2薄膜作为工作电极，碳棒作为辅助电极，SCE作为参比电极，在0.1MNa2S04水溶液中测量暗态和光照(100mW/cm2)条件下电流-电位曲线。测量结果见图1。
[0017]实施例
以0.5mm厚的IcmX Icm泡沫镍作为工作电极，电解液组成、电沉积条件、硫化热处理条件同对比例，得到泡沫镍负载的铜铟硫半导体光伏材料。
[0018]以泡沫镍负载的铜铟硫半导体材料作为工作电极，碳棒作为辅助电极，SCE作为参比电极，在0.1M Na2S04水溶液中测量暗态和光照(100mW/cm2)条件下电流-电位曲线。测量结果见图2。
【主权项】
1.一种泡沫金属负载的铜铟硫半导体光伏材料制备方法，其特征在于:采用电化学方法在泡沫金属基体上均匀连续负载3ηπΓ? μ m的铜铟硫半导体层。
2.根据权利要求1所述的泡沫金属负载的铜铟硫半导体光伏材料制备方法，其特征在于:泡沫金属基体包括泡沫铜、泡沫招、泡沫镍、泡沫铁、泡沫黄铜、泡沫铁镍铬。
3.根据权利要求1所述的泡沫金属负载的铜铟硫半导体光伏材料制备方法，其特征在于:在泡沫金属基体上首先通过恒电位共沉积制备铜铟合金膜，然后通过硫化退火的方法得到泡沫金属负载的铜铟硫半导体层。
4.根据权利要求3所述的在泡沫金属基体上通过恒电位共沉积制备铜铟合金膜的方法，其特征在于:电解液中铜盐和铟盐的浓度为2?20mM，铜盐和铟盐的摩尔比为2:广1:2，铜盐和铟盐可采用氯化物、硫酸盐、硝酸盐、乙酸盐。
5.根据权利要求3所述的在泡沫金属基体上通过恒电位共沉积制备铜铟合金膜的方法，其特征在于:电解液中络合剂三乙醇胺的加入量为(T0.5M。
6.根据权利要求3所述的在泡沫金属基体上通过恒电位共沉积制备铜铟合金膜的方法，其特征在于:电解液中柠檬酸钠的加入量为(T0.1M。
7.根据权利要求3所述的在泡沫金属基体上通过恒电位共沉积制备铜铟合金膜的方法，其特征在于:电解液pH值控制在2.(Γ5.0。
8.根据权利要求3所述的在泡沫金属基体上通过恒电位共沉积制备铜铟合金膜的方法，其特征在于:沉积电位为-800? -1lOOmV (相对于饱和甘汞电极)，沉积时间l(T60min，电解液温度为2(T50°C。
9.根据权利要求3所述的通过硫化退火得到泡沫金属负载的铜铟硫半导体层的方法，其特征在于:铜铟合金膜的硫化退火过程中，以升华硫为硫源，退火温度控制在30(T50(TC之间。
10.根据权利要求3所述的通过硫化退火得到泡沫金属负载的铜铟硫半导体层的方法，其特征在于:铜铟合金膜的硫化退火过程中，退火时间为15?120min。
【专利摘要】本发明涉及一种铜铟硫半导体光伏材料制备方法，属于材料领域。其特征在于：采用电化学方法在泡沫金属基体上均匀连续负载3纳米至1微米的铜铟硫半导体层。该材料具有很高的光电转换效率。
【IPC分类】H01L31-18
【公开号】CN104752552
【申请号】CN201310732089
【发明人】元炯亮, 路辉, 王培城, 李旺
【申请人】北京化工大学
【公开日】2015年7月1日
【申请日】2013年12月27日