一种Zn(O,S)薄膜及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体薄膜材料技术领域，具体涉及一种Zn(0，S)薄膜及其制备方法和应用。
【背景技术】
[0002]目前，薄膜太阳能电池因具有成本低、转化率高、稳定性好的特点，越来越受到人们的极大关注，成为世界各国研究的热点。薄膜太阳能电池的一般的典型结构是由玻璃衬底、钼(Mo)背电极层、吸收层(CZTS，CIGS)、缓冲层、窗口层、镍-铝电极层、氟化镁(MgF2)抗反射层组成。目前各类薄膜电池的缓冲层大多是采用CdS材料，太阳能电池的缓冲层要求它具有与吸收层之间有相近的晶格匹配，能形成和适的导带带阶，且具有较大的禁带宽度。而CdS是有毒化合物，且CdS的禁带宽度较小，会造成光吸收损失，所以寻找CdS缓冲层的取代材料是一个研究热点。
[0003]近年来，Zn (0，S)薄膜因在可见光区域的透过率高，能有效地提高吸收层对蓝光区域的光吸收，同时可以通过控制氧和硫的原子之比从而来控制它的禁带宽度和带阶，具有带隙可调的优点，有重要的潜在应用价值，近阶段已经引起各个科研院所的关注。Zn(0，S)是很有希望取代CdS成为薄膜太阳能电池的缓冲层的理想材料。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是在于提供一种Zn (0，S)薄膜及其制备方法和应用，制作出的Zn (O, S)薄膜可以通过控制氧化温度来实现不同含量的O元素掺杂，它可以代替CdS用于薄膜太阳能电池的缓冲层中，不仅可以使电池器件的生产更加环保经济，而且它操作简单，制备出来的薄膜光学透过率高，禁带宽度大小可以调节，能增加光电子的收集效率从而增大电池的短路电流，提高太阳能电池的转化效率。
[0005]为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
一种Zn(0，S)薄膜的制备方法包括以下步骤:
(1)选择普通玻璃作为衬底，依次在去离子水、乙醇、丙酮、乙醇、丙酮中超声清洗，每次超声清洗的时间为15min，然后烘干；
(2)利用电子束蒸发的方法制备ZnS薄膜，采用纯度为99.99%的ZnS陶瓷颗粒作为镀料，控制反应室的压力为5 X 10 4Pa,蒸发束流为2-4mA，沉积速度为0.3-0.5 nm/s ;
(3)将镀有ZnS薄膜的玻璃衬底放置在氧气气氛下氧化处理，氧化温度为350-500°C，氧化处理时间为2h，冷却至室温，得到Zn(0，S)薄膜。
[0006]制得的Zn(0，S)薄膜作为薄膜太阳能电池的缓冲层材料。
[0007]本发明的用于太阳能电池缓冲层的Zn(0，S)薄膜制备方法具有以下特点和优点: (I)使用本发明制备出的Zn(0，S)薄膜可以实现控制不同0，S含量的Zn(0，S)薄膜，从而控制Zn(0，S)薄膜的禁带宽度，以达到和吸收层形成良好的导带阶。
[0008](2)使用本发明制备出的Zn(0，S)薄膜的物相结构为闪锌矿硫化锌和六方相氧化锌的混合结构，具有与吸收层有良好匹配的晶格结构。
[0009](3)本发明在设备条件允许的情况下，可以实现在真空室内连续蒸发和氧化处理的过程。从而使得太阳能电池器件生产过程可以不用进出真空室而减少因暴露在大气中造成的不良影响，方便一次性完成电池器件生产。
[0010](4)本发明在工艺操作上相对简单，节省原料，且原料无毒环保，合成产物性能好，经济实惠，便于推广应用。
【附图说明】
[0011]图1为本发明实施例1-4所制得的Zn(0，S)薄膜的X射线衍射图。
[0012]图2为本发明实施例1-4所制得的Zn(0，S)薄膜的透射光谱。
[0013]图3为本发明实施例1-4所制得的Zn(0，S)薄膜的光学带隙。
[0014]图4为本发明实施例1-4所制得的Zn(O, S)薄膜的成分含量。
【具体实施方式】
[0015]实施例1
(a).衬底处理:选择普通玻璃作为衬底，然后依次在去离子水，乙醇，丙酮溶液中超声清洗。每次超声清洗的时间为15min，最后再在去离子水中超声清洗20min，然后在干燥箱中蒸干备用。
[0016](b).ZnS薄膜的制备:采用纯度为99.99%的ZnS陶瓷颗粒作为镀料，将其放入电子束蒸发系统的坩祸内，将反应室的真空抽到5 X 10 4Pa左右，开始用电子束蒸发。控制蒸发束流为2-4mA，沉积速度为0.3-0.5 nm/s，膜厚为150nm左右。
[0017](c).氧化处理:将上述步骤中制备出的含有ZnS薄膜的玻璃衬底放置在氧气氛围下，在350 °C下氧化2h，得至Ij Zn (O, S)薄膜。
[0018]实施例2
(a).衬底处理:选择普通玻璃作为衬底，然后依次在去离子水，乙醇，丙酮溶液中超声清洗。每次超声清洗的时间为15min，最后再在去离子水中超声清洗20min，然后在干燥箱中蒸干备用。
[0019](b).ZnS薄膜的制备:采用纯度为99.99%的ZnS陶瓷颗粒作为镀料，将其放入电子束蒸发系统的坩祸内，将反应室的真空抽到5 X 10 4Pa左右，开始用电子束蒸发。控制蒸发束流为2-4mA，沉积速度为0.3-0.5 nm/s，膜厚为150nm左右。
[0020](c).氧化处理:将上述步骤中制备出的含有ZnS薄膜的玻璃衬底放置在氧气氛围下，在400 °C下氧化2h,得到Zn (O, S)薄膜。
[0021]实施例3
(a).衬底处理:选择普通玻璃作为衬底，然后依次在去离子水，乙醇，丙酮溶液中超声清洗。每次超声清洗的时间为15min，最后再在去离子水中超声清洗20min，然后在干燥箱中蒸干备用。
[0022](b).ZnS薄膜的制备:采用纯度为99.99%的ZnS陶瓷颗粒作为镀料，将其放入电子束蒸发系统的坩祸内，将反应室的真空抽到5 X 10 4Pa左右，开始用电子束蒸发。控制蒸发束流为2-4mA，沉积速度为0.3-0.5 nm/s，膜厚为150nm左右。
[0023](c).氧化处理:将上述步骤中制备出的含有ZnS薄膜的玻璃衬底放置在氧气氛围下，在450 °C下氧化2h，得到Zn (O, S)薄膜。
[0024]实施例4
(a).衬底处理:选择普通玻璃作为衬底，然后依次在去离子水，乙醇，丙酮溶液中超声清洗。每次超声清洗的时间为15min，最后再在去离子水中超声清洗20min，然后在干燥箱中蒸干备用。
[0025](b).ZnS薄膜的制备:采用纯度为99.99%的ZnS陶瓷颗粒作为镀料，将其放入电子束蒸发系统的坩祸内，将反应室的真空抽到5 X 10 4Pa左右，开始用电子束蒸发。控制蒸发束流为2-4mA，沉积速度为0.3-0.5 nm/s，膜厚为150nm左右。
[0026](c).氧化处理:将上述步骤中制备出的含有ZnS薄膜的玻璃衬底放置在氧气氛围下，在500 °C下氧化2h，得至Ij Zn (O, S)薄膜。
[0027]图1为本发明实施例1-4所制得的Zn(0，S)薄膜的X射线衍射图。从图1中可以看出所制备的Zn(0，S)薄膜中出现在28.61°、47.62。附近的(111)、(220)面的衍射峰，属于闪锌矿晶相的ZnS，对应于XRD标准卡号05-0566。出现在31.92°、56.68。、62.96。附近的(100)、( 110)、( 103)面的衍射峰，属于红锌矿晶相的ZnO，对应于XRD标准卡号36-1451。在Zn (O, S)薄膜中同时出现了 ZnS和ZnO的结构，且随着氧化温度的升高，属于闪锌矿晶相的ZnS (220)面的衍射峰强度逐渐减弱，属于红锌矿晶相的ZnO (100)、( 110)、( 103)面的衍射峰逐渐增强，这说明制备的Zn(0，S)薄膜随着氧化温度的升高，氧的含量增大，晶格结构发生了变化。特别是在500°C氧化下出现了一些新的既不属于ZnS也不属于ZnO的相，这也会影响薄膜的光电性能。
[0028]图2为本发明实施例1-4所制得的Zn(O, S)薄膜的透射光谱。作为薄膜太阳电池的缓冲层材料，需要较高的光学透过率，使更多的光可以透过并被吸收层吸收，才能有助于提高太阳电池的转换效率。从图2中可以看出在氧化温度为350 0C -450 °C时，样品的吸收边明显，薄膜在可见光区域范围内的平均透射率均在82%以上，而以在450°C时透过率最高(86%左右)。
[0029]图3为本发明实施例1-4所制得的Zn(0，S)薄膜的光学带隙。作为薄膜太阳电池的缓冲层材料，需要较大的禁带宽度，这样可以减少缓冲层的光吸收而造成的光损失。从图3可以看出在氧化温度为350°C -500°C时，Zn (O, S)薄膜的禁带宽度分别为3.4eV，3.36 eV,3.34 eV，3.24 eV，薄膜的禁带宽度较大且达到了带隙可调的目的。
[0030]图4为本发明实施例1-4所制得的Zn(0，S)薄膜的成分含量。从图中可以看出随着氧化温度的提高，O含量逐渐增加，而S含量逐渐减少，说明增大氧化温度有利于更多的氧原子扩散进入Zn (O, S)薄膜，使得薄膜中的O和S的相对含量发生变化。而Zn成分含量在氧化温度为400°C -500°C下小于50%，这说明在氧化过程中，较高的氧化温度会使得部分Zn元素挥发损失。
[0031]以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
【主权项】
1.一种Zn (O，S)薄膜的制备方法，其特征在于:包括以下步骤: (1)选择普通玻璃作为衬底，依次在去离子水、乙醇、丙酮、乙醇、丙酮中超声清洗，每次超声清洗的时间为15min，然后烘干； (2)利用电子束蒸发的方法制备ZnS薄膜，采用纯度为99.99%的ZnS陶瓷颗粒作为镀料，控制反应室的压力为5 X 10 4Pa,蒸发束流为2-4mA，沉积速度为0.3-0.5 nm/s ; (3)将镀有ZnS薄膜的玻璃衬底放置在氧气气氛下氧化处理，氧化温度为350-500°C，氧化处理时间为2h，冷却至室温，得到Zn (O，S)薄膜。2.一种如权利要求1所述的方法制得的Zn (O，S)薄膜。3.一种如权利要求1所述的方法制得的Zn (O，S)薄膜的应用，其特征在于:制得的Zn (O, S)薄膜作为薄膜太阳能电池的缓冲层材料。
【专利摘要】本发明公开了一种Zn(O,S)薄膜及其制备方法和应用<b>，</b>属于半导体薄膜材料技术领域。在真空条件下，通过电子束蒸发的方法蒸发ZnS陶瓷颗粒，使之沉积在玻璃衬底上形成ZnS薄膜，然后通过在氧气氛围下氧化ZnS薄膜的方法掺入O元素，形成Zn(O,S)薄膜。这种方法制作出的Zn(O,S)薄膜可以通过控制氧化温度来实现不同含量的O元素掺杂，它可以代替CdS用于薄膜太阳能电池的缓冲层中，不仅可以使电池器件的生产更加环保经济，而且它操作简单，制备出来的薄膜光学透过率高，禁带宽度大小可以调节，能增加光电子的收集效率从而增大电池的短路电流，提高太阳能电池的转化效率。
【IPC分类】H01L31/0296, H01L31/18
【公开号】CN105140317
【申请号】CN201510450613
【发明人】程树英, 陈超, 周海芳, 赖云锋, 张红, 贾宏杰, 俞金玲, 郑巧
【申请人】福州大学
【公开日】2015年12月9日
【申请日】2015年7月29日