一种铜锌锡硫-硫化铜-铜锡硫薄膜的合成方法
【专利摘要】本发明公开了一种铜锌锡硫-硫化铜-铜锡硫薄膜的合成方法，包括以下步骤：（1）配制电解液：将铜盐、锌盐、锡盐、硫代硫酸钠、柠檬酸三钠和酒石酸分别溶解到水中，然后再混合，混合均匀后调节pH值；（2）清洗基片：金属Mo片作为基片，用氢氧化钠溶液擦拭表面，除去表面锈迹，然后在乙醇、去离子水中逐次进行超声清洗，除去表面油渍；（3）电化学沉积：将清洗好的基片放入已经配制好的电解液中，设定沉积电压和时间并开始，沉积结束后将基片取出，用大量的去离子水和乙醇冲洗并吹干；（4）将步骤（3）得到的样品在氮气或者氩气中煅烧1小时，得到铜锌锡硫-硫化铜-铜锡硫薄膜。此方法成本低，过程简单，所制得的样品性能优良。
【专利说明】一种铜锌锡硫-硫化铜-铜锡硫薄膜的合成方法【技术领域】
[0001]本发明涉及一种薄膜的合成方法，尤其涉及一种铜锌锡硫-硫化铜-铜锡硫薄膜的合成方法。
【背景技术】
[0002]近年来能源和环境问题引起了人们关注，对高效、低成本的太阳能吸收材料的研究也越来越多。铜锌锡硫材料(缩写作CZTS)具有很多优点，比如:光吸收系数超过IO4CnT1,带隙大约是1.5eV，铜、锌、锡、硫元素在自然界储量丰富，不污染环境。目前它应用于太阳能电池的效率已经达到了 12%。对于铜锌锡硫薄膜的制备，通常使用物理方法，包括共蒸发、磁控溅射等等，这些方法成本太高，很不适合较大规模的生产。所以，近几十年来，用化学方法制备铜锌锡硫薄膜变成了重中之重。常用的化学方法有电化学法，连续离子层吸收反应，水热法等等。但是，这些方法制备出的铜锌锡硫薄膜在进一步结晶的时候都要经过硫化(有剧毒)。其中，电化学方法是相对来讲成本最低的。对于铜锌锡硫这种四元硫化物来说，预制金属层再硫化方法被广泛使用。然而，这种方法不但需要硫化，还要进行2~3次电化学沉积。
[0003]出于这些考虑，本领域技术人员希望采用成本低、过程简单、安全无毒的合成方法。同时，积极开拓一步电化学法制备多元硫化物的使用领域。
【发明内容】
[0004]有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种一步电化学合成铜锌锡硫-硫化铜-铜锡硫薄膜(Cu2ZnSnS4-CuS-Cu3SnS4)的方法。
[0005]为实现上述目的，本发明提供了一种铜锌锡硫-硫化铜-铜锡硫薄膜的一步电化学合成方法，合成过程中不使用表面活性剂，合成步骤如下:
[0006](I)配制电解液:将铜盐、锌盐、锡盐、硫代硫酸钠、柠檬酸三钠和酒石酸分别溶解到水中，然后再混合，混合均匀后调节PH值；
[0007](2)清洗基片:金属Mo片作为基片，用氢氧化钠溶液擦拭表面，除去表面锈迹，然后在乙醇、去离子水中逐次进行超声清洗，除去表面油溃；
[0008](3)电化学沉积:将清洗好的基片放入已经配制好的电解液中，设定沉积电压和时间并开始，沉积结束后将基片取出，用大量的去离子水和乙醇冲洗并吹干；
[0009](4)将步骤(3)得到的样品在氮气或者氩气中煅烧I小时，得到铜锌锡硫-硫化铜-铜锡硫薄膜。
[0010]优选地，步骤(1)中，以摩尔计，铜盐:锌盐:锡盐:硫代硫酸钠:柠檬酸三钠:酒石酸=0.5~3:1:0.5~3:1~5:4~10:2~8 ;其中，当铜盐:锌盐:锡盐:硫代硫酸钠:朽1檬酸三钠:酒石酸=2:3:2:3:20:10时，所合成的薄膜性能较好。
[0011]优选地，步骤(1)中的铜盐为硫酸铜、硝酸铜或氯化铜，锌盐为硫酸锌、硝酸锌或氯化锌，锡盐为氯化亚锡或硫酸亚锡。[0012]优选地，步骤(I)中调节pH值范围为2?7。
[0013]优选地，基片清洗过程中，用来擦拭基片的氢氧化钠浓度为I?15摩尔/升，超声时间为5?30分钟。基片的清洁程度，对成膜有很大的影响。
[0014]优选地，电化学沉积过程中所用的电压是-0.8V?-1.5V,沉积时间是15?60分钟。沉积的电压和时间会显著影响薄膜的厚度和质量。
[0015]优选地，煅烧温度范围为200?600°C。
[0016]本发明的有益效果是:
[0017](I)该制备方法简单易行，成本很低，安全无毒，适合工业化生产；
[0018](2)使用该方法所制得的铜锌锡硫-硫化铜-铜锡硫薄膜性能好；
[0019](3)可广泛用于半导体薄膜的生产以及光催化领域。
[0020]以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1是实施例1制得的铜锌锡硫-硫化铜-铜锡硫薄膜的X射线衍射图；
[0022]图2是实施例1制得的薄膜的10000倍扫描电子显微镜照片；
[0023]图3是实施例1制得的薄膜的50000倍扫描电子显微镜照片；
[0024]图4是实施例2制得的薄膜的10000倍扫描电子显微镜照片；
[0025]图5是实施例2制得的薄膜的50000倍扫描电子显微镜照片；
[0026]图6是实施例1和实施例2制得的薄膜的电流-电压曲线，银/氯化银电极作参比电极，钼片(2x2cm2)作对电极，0.2摩尔/升的硫酸钠做电解液，测试光强为15mW cm_2，扫描速率为0.0lV/s。
【具体实施方式】
[0027]下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
[0028]实施例1
[0029]室温下分别配制0.02摩尔/升硫酸铜、0.03摩尔/升硫酸锌、0.02摩尔/升氯化亚锡、0.02摩尔/升硫代硫酸钠、0.2摩尔/升柠檬酸三钠以及0.1摩尔/升酒石酸水溶液，将这些溶液等体积均匀混合，调节PH为5。用15摩尔/升的浓氢氧化钠溶液擦拭Mo基片，并在乙醇和水中分别超声清洗30分钟。将基片放进已经搅拌均匀的电解液中。在恒定电压-1.05V(相对于银/氯化银)条件下沉积45分钟后，将样品取出，用大量去离子水冲洗后吹干。所得到的薄膜在氩气或者氮气中350°C煅烧lh，得到的样品即为铜锌锡硫-硫化铜-铜锡硫薄膜。将其命名为薄膜I。
[0030]实施例2
[0031]室温下分别配制0.02摩尔/升硫酸铜、0.03摩尔/升硫酸锌、0.02摩尔/升氯化亚锡、0.03摩尔/升硫代硫酸钠、0.2摩尔/升柠檬酸三钠以及0.1摩尔/升酒石酸水溶液，将这些溶液等体积均匀混合，调节PH为5。用15摩尔/升的浓氢氧化钠溶液擦拭Mo基片，并在乙醇和水中分别超声清洗30分钟。将基片放进已经搅拌均匀的电解液中。在恒定电压-1.05V(相对于银/氯化银)条件下沉积45分钟后，将样品取出，用大量去离子水冲洗后吹干。所得到的薄膜在氩气或者氮气中350°C煅烧lh，得到的样品即为铜锌锡硫-硫化铜-铜锡硫薄膜。将其命名为薄膜2。
[0032]图1为本实施例合成的铜锌锡硫-硫化铜-铜锡硫薄膜的X射线衍射图。从图1中可以看出:该样品中同时存在铜锌锡硫(CZTS)、硫化铜(CuS)、铜锡硫(Cu3SnS4)。图中基片Mo的峰很强，使硫化物的峰显得很弱。
[0033]图2、图3、图4、图5为铜锌锡硫-硫化铜-铜锡硫薄膜的扫描电子显微镜(SEM)图片，分别对应IOOOOx (薄膜l)、50000x (薄膜l)、10000x (薄膜2)、50000x (薄膜2)。从图2、图3、图4、图5中可以看出:铜锌锡硫-硫化铜-铜锡硫薄膜是由很小的颗粒团聚而成，其中薄膜I表面的颗粒倾向于聚集成更大的球状，薄膜2表面的颗粒倾向于聚集成短链状。
[0034]图6为薄膜I和薄膜2的电流-电压曲线。银/氯化银电极作参比电极，钼片(2x2cm2)作对电极，0.2摩尔/升的硫酸钠做电解液，测试光强为15mW cm—2，扫描速率为
0.0lV/s。从图中可以看出，薄膜2的性能要比薄膜I的好，可能是因为这种短链结构增加了薄膜的比表面积。
[0035]实施例3
[0036]室温下分别配制0.02摩尔/升硫酸铜、0.03摩尔/升硫酸锌、0.02摩尔/升氯化亚锡、0.03摩尔/升硫代硫酸钠、0.2摩尔/升柠檬酸三钠以及0.1摩尔/升酒石酸水溶液，将这些溶液等体积均匀混合，调节PH为7。用15摩尔/升的浓氢氧化钠溶液擦拭Mo基片，并在乙醇和水中分别超声清洗20分钟。将基片放进已经搅拌均匀的电解液中。在恒定电压-1.5V (相对于银/氯化银)条件下沉积15分钟后，将样品取出，用大量去离子水冲洗后吹干。所得到的薄膜在氩气或者氮气中350°C煅烧lh，得到的样品即为铜锌锡硫-硫化铜-铜锡硫薄膜。
[0037]实施例4
[0038]室温下分别配制0.02摩尔/升硝酸铜、0.03摩尔/升硝酸锌、0.02摩尔/升硫酸亚锡、0.03摩尔/升硫代硫酸钠、0.2摩尔/升柠檬酸三钠以及0.1摩尔/升酒石酸水溶液，将这些溶液等体积均匀混合，调节PH为5。用12摩尔/升的浓氢氧化钠溶液擦拭Mo基片，并在乙醇和水中分别超声清洗10分钟。将基片放进已经搅拌均匀的电解液中。在恒定电压-1.05V(相对于银/氯化银)条件下沉积25分钟后，将样品取出，用大量去离子水冲洗后吹干。所得到的薄膜在氩气或者氮气中350°C煅烧lh，得到的样品即为铜锌锡硫-硫化铜-铜锡硫薄膜。
[0039]实施例5
[0040]室温下分别配制0.02摩尔/升氯化铜、0.03摩尔/升氯化锌、0.02摩尔/升氯化亚锡、0.03摩尔/升硫代硫酸钠、0.2摩尔/升柠檬酸三钠以及0.1摩尔/升酒石酸水溶液，将这些溶液等体积均匀混合，调节PH为5。用12摩尔/升的浓氢氧化钠溶液擦拭Mo基片，并在乙醇和水中分别超声清洗20分钟。将基片放进已经搅拌均匀的电解液中。在恒定电压-1.3V (相对于银/氯化银)条件下沉积45分钟后，将样品取出，用大量去离子水冲洗后吹干。所得到的薄膜在氩气或者氮气中350°C煅烧lh，得到的样品即为铜锌锡硫-硫化铜-铜锡硫薄膜。
[0041]实施例6
[0042]室温下分别配制0.02摩尔/升硫酸铜、0.03摩尔/升硫酸锌、0.02摩尔/升氯化亚锡、0.03摩尔/升硫代硫酸钠、0.2摩尔/升柠檬酸三钠以及0.1摩尔/升酒石酸水溶液，将这些溶液等体积均匀混合，调节PH为2。用15摩尔/升的浓氢氧化钠溶液擦拭Mo基片，并在乙醇和水中分别超声清洗5分钟。将基片放进已经搅拌均匀的电解液中。在恒定电压-1.3V (相对于银/氯化银)条件下沉积35分钟后，将样品取出，用大量去离子水冲洗后吹干。所得到的薄膜在氩气或者氮气中350°C煅烧lh，得到的样品即为铜锌锡硫-硫化铜-铜锡硫薄膜。
[0043]实施例7
[0044]室温下分别配制0.02摩尔/升硝酸铜、0.03摩尔/升硝酸锌、0.02摩尔/升氯化亚锡、0.03摩尔/升硫代硫酸钠、0.2摩尔/升柠檬酸三钠以及0.1摩尔/升酒石酸水溶液，将这些溶液等体积均匀混合，调节pH为6。用8摩尔/升的氢氧化钠溶液擦拭Mo基片，并在乙醇和水中分别超声清洗30分钟。将基片放进已经搅拌均匀的电解液中。在恒定电压-1.5V (相对于银/氯化银)条件下沉积25分钟后，将样品取出，用大量去离子水冲洗后吹干。所得到的薄膜在氩气或者氮气中350°C煅烧lh，得到的样品即为铜锌锡硫-硫化铜-铜锡硫薄膜。
[0045]实施例7
[0046]室温下分别配制0.02摩尔/升硫酸铜、0.03摩尔/升硫酸锌、0.02摩尔/升氯化亚锡、0.03摩尔/升硫代硫酸钠、0.2摩尔/升柠檬酸三钠以及0.1摩尔/升酒石酸水溶液，将这些溶液等体积均匀混合，调节PH为5。用12摩尔/升的浓氢氧化钠溶液擦拭Mo基片，并在乙醇和水中分别超声清洗30分钟。将基片放进已经搅拌均匀的电解液中。在恒定电压-0.8V (相对于银/氯化银)条件下沉积60分钟后，将样品取出，用大量去离子水冲洗后吹干。所得到的薄膜在氩气或者氮气中350°C煅烧lh，得到的样品即为铜锌锡硫-硫化铜-铜锡硫薄膜。
[0047]实施例8
[0048]室温下分别配制0.02摩尔/升硫酸铜、0.03摩尔/升硫酸锌、0.02摩尔/升氯化亚锡、0.03摩尔/升硫代硫酸钠、0.2摩尔/升柠檬酸三钠以及0.1摩尔/升酒石酸水溶液，将这些溶液等体积均匀混合，调节PH为5。用15摩尔/升的浓氢氧化钠溶液擦拭Mo基片，并在乙醇和水中分别超声清洗30分钟。将基片放进已经搅拌均匀的电解液中。在恒定电压-0.8V (相对于银/氯化银)条件下沉积35分钟后，将样品取出，用大量去离子水冲洗后吹干。所得到的薄膜在氩气或者氮气中350°C煅烧lh，得到的样品即为铜锌锡硫-硫化铜-铜锡硫薄膜。
[0049]实施例9
[0050]室温下分别配制0.02摩尔/升氯化铜、0.03摩尔/升氯化锌、0.02摩尔/升氯化亚锡、0.03摩尔/升硫代硫酸钠、0.2摩尔/升柠檬酸三钠以及0.1摩尔/升酒石酸水溶液，将这些溶液等体积均匀混合，调节PH为5。用15摩尔/升的浓氢氧化钠溶液擦拭Mo基片，并在乙醇和水中分别超声清洗20分钟。将基片放进已经搅拌均匀的电解液中。在恒定电压-1.3V (相对于银/氯化银)条件下沉积25分钟后，将样品取出，用大量去离子水冲洗后吹干。所得到的薄膜在氩气或者氮气中350°C煅烧lh，得到的样品即为铜锌锡硫-硫化铜-铜锡硫薄膜。
[0051]实施例10
[0052]室温下分别配制0.015摩尔/升硫酸铜、0.03摩尔/升硫酸锌、0.015摩尔/升氯化亚锡、0.03摩尔/升硫代硫酸钠、0.12摩尔/升柠檬酸三钠以及0.06摩尔/升酒石酸水溶液，将这些溶液等体积均匀混合，调节PH为5。用15摩尔/升的浓氢氧化钠溶液擦拭Mo基片，并在乙醇和水中分别超声清洗30分钟。将基片放进已经搅拌均匀的电解液中。在恒定电压-1.05V (相对于银/氯化银)条件下沉积45分钟后，将样品取出，用大量去离子水冲洗后吹干。所得到的薄膜在氩气或者氮气中350°C煅烧lh，得到的样品即为铜锌锡硫-硫化铜-铜锡硫薄膜。
[0053]实施例11
[0054]室温下分别配制0.09摩尔/升硫酸铜、0.03摩尔/升硫酸锌、0.09摩尔/升氯化亚锡、0.15摩尔/升硫代硫酸钠、0.3摩尔/升柠檬酸三钠以及0.24摩尔/升酒石酸水溶液，将这些溶液等体积均匀混合，调节PH为6。用12摩尔/升的浓氢氧化钠溶液擦拭Mo基片，并在乙醇和水中分别超声清洗30分钟。将基片放进已经搅拌均匀的电解液中。在恒定电压-1.05V(相对于银/氯化银)条件下沉积45分钟后，将样品取出，用大量去离子水冲洗后吹干。所得到的薄膜在氩气或者氮气中350°C煅烧lh，得到的样品即为铜锌锡硫-硫化铜-铜锡硫薄膜。
[0055]以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本【技术领域】中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
【权利要求】
1.一种铜锌锡硫-硫化铜-铜锡硫薄膜的合成方法，其特征在于，合成步骤如下: (1)配制电解液:将铜盐、锌盐、锡盐、硫代硫酸钠、柠檬酸三钠和酒石酸分别溶解到水中，然后再混合，混合均匀后调节PH值； (2)清洗基片:金属Mo片作为基片，用氢氧化钠溶液擦拭表面，除去表面锈迹，然后在乙醇、去离子水中逐次进行超声清洗，除去表面油溃； (3)电化学沉积:将清洗好的基片放入已经配制好的电解液中，设定沉积电压和时间并开始，沉积结束后将基片取出，用大量的去离子水和乙醇冲洗并吹干； (4)将步骤(3)得到的样品在氮气或者氩气中煅烧I小时，得到铜锌锡硫-硫化铜-铜锡硫薄膜。
2.如权利要求1所述的合成方法，其特征在于，所述步骤(I)中，以摩尔计，铜盐:锌盐:锡盐:硫代硫酸钠:柠檬酸三钠:酒石酸=0.5?3:1:0.5?3:1?5:4?10:2?8。
3.如权利要求1所述的合成方法，其特征在于，所述步骤(I)中，以摩尔计，铜盐:锌盐:锡盐:硫代硫酸钠:柠檬酸三钠:酒石酸=2:3:2:3:20 =IO0
4.如权利要求1所述的合成方法，其特征在于，所述步骤(I)中铜盐为硫酸铜、硝酸铜或氯化铜。
5.如权利要求1所述的合成方法，其特征在于，所述步骤(I)中锌盐为硫酸锌、硝酸锌或氯化锌。
6.如权利要求1所述的合成方法，其特征在于，所述步骤(I)中锡盐为氯化亚锡或硫酸亚锡。
7.如权利要求1所述的合成方法，其特征在于，所述步骤(I)中调节pH值范围为2?7。
8.如权利要求1-6任一项所述的合成方法，其特征在于，所述步骤(2)中的氢氧化钠溶液浓度为I?15摩尔/升，超声时间为5?30分钟。
9.如权利要求1-6任一项所述的合成方法，其特征在于，所述步骤(3)中的电化学沉积过程中所用的电压是-0.8V?-1.5V，沉积时间是15?60分钟。
10.如权利要求1-6任一项所述的合成方法，其特征在于，所述步骤(4)中的煅烧温度范围为200?6000C ο
【文档编号】H01L31/18GK103915528SQ201410124033
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年3月28日 优先权日:2014年3月28日
【发明者】高濂, 王静, 张鹏, 宋雪峰, 李泓墨 申请人:上海交通大学