溶劑熱法制備CuInS2及ZnS薄膜的研究.pdf

1、隨著常規(guī)能源的消費(fèi)，能源短缺和環(huán)境破壞給社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展帶來巨大挑戰(zhàn)。太陽能具備環(huán)境友好、可再生及分布廣泛等特性成為最佳替代能源。薄膜型太陽能電池具有用料省、工藝溫度低及制備簡(jiǎn)易等優(yōu)勢(shì)被認(rèn)為是最有潛力的發(fā)展方向，CuInS2帶隙寬度約為1.53eV，具有較高的吸光系數(shù)和通過本身點(diǎn)缺陷調(diào)節(jié)導(dǎo)電類型等特性使其成為當(dāng)前最有用的薄膜太陽電池吸收材料之一。目前，制備CuInS2薄膜最成功的方法是多源蒸發(fā)和金屬前驅(qū)體硫化法，但是這兩種方法需要昂貴的

2、設(shè)備和苛刻的制備條件，嚴(yán)重阻礙了CuInS2薄膜電池的發(fā)展。ZnS是一種環(huán)保型的n型半導(dǎo)體，帶隙寬度為3.6-3.8eV，非常適合取代具有毒性的CdS充當(dāng)薄膜電池的緩沖層。目前沉積ZnS薄膜主要采用水浴法(CBD)，但是CBD沉積ZnS薄膜的重現(xiàn)性差及成分較復(fù)雜。由此，尋找一種低成本、工藝成熟及環(huán)境友好的薄膜制備工藝尤為關(guān)鍵。
　　本論文采用溶劑熱法制備CuInS2和ZnS薄膜包括以下3方面:
　　1、采用溶劑熱法，以銅的氯

3、鹽、銦的氯鹽和硫脲為反應(yīng)試劑，無水乙醇為溶劑，在導(dǎo)電玻璃FTO上沉積CuInS2薄膜，并系統(tǒng)研究了反應(yīng)時(shí)間、硫脲濃度和草酸濃度對(duì)薄膜的影響。通過控制反應(yīng)時(shí)間進(jìn)而調(diào)節(jié)薄膜厚度與結(jié)晶性。所得樣品的Uv-vis光譜表明，樣品在400-950 nm這一寬范圍內(nèi)有很強(qiáng)的吸收。隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，樣品的平均透射率不斷降低，帶隙寬度在2.01-1.49 eV范圍內(nèi)變化。硫脲濃度的變化對(duì)產(chǎn)物的化學(xué)成分比有很大的影響，據(jù)XPS檢測(cè)結(jié)果可知當(dāng)硫脲濃度為0.

4、3 mol/L時(shí)所得薄膜的Cu∶In∶S約為1∶1∶2，其帶隙寬度為1.52 eV。研究發(fā)現(xiàn)草酸對(duì)CuInS2薄膜的生長(zhǎng)有很大的影響，推測(cè)草酸可以提高納米晶的分散性和改善薄膜的成膜性。草酸不僅作為還原劑而且有助于納米晶向蠕蟲狀結(jié)構(gòu)發(fā)展。在Zahner CIMPS系統(tǒng)下采用標(biāo)準(zhǔn)的三電極體系，以CuInS2薄膜（1cm2）作為光電極，Na2S和Na2SO3混合溶液為電解質(zhì)溶液檢測(cè)薄膜的光電化學(xué)性能，測(cè)得開路電壓為0.669V，短路電流為18

5、.38mA/cm2，填充因子為29.6％，經(jīng)計(jì)算可得CuInS2薄膜的光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)3.64％。
　　2、以無水乙醇為溶劑、銦的氯鹽和硫脲為反應(yīng)試劑，采用一步溶劑熱在金屬銅箔上原位生長(zhǎng)CuInS2薄膜。相對(duì)于FTO基板沉積銅箔原位生長(zhǎng)不僅簡(jiǎn)化制備過程而且大大縮短了反應(yīng)時(shí)間。研究發(fā)現(xiàn)，原位沉積時(shí)間延長(zhǎng)有利于提升溶液中同質(zhì)沉積，使得一些納米片相互嵌合形成微球且吸附在下層分散的納米片之上。當(dāng)銦源濃度相對(duì)較高時(shí)，納米片相互嵌合形成均勻的

6、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。PEG的添加降低了薄膜結(jié)晶度，更有利于薄膜形成雙層結(jié)構(gòu)，其中下層為單層網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，上層為花狀或球狀超結(jié)構(gòu)。原位生長(zhǎng)CuInS2薄膜的開路電壓為0.662V，短路電流為101.8mA/cm2，填充因子為27.5％，經(jīng)計(jì)算得光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)15.43％。
　　3、采用溶劑熱法以醋酸鋅和硫脲為原料，乙醇和水混合溶液為溶劑成功在玻璃基板上沉積了均勻的ZnS薄膜，且ZnS薄膜由微球組成。當(dāng)Zn/S為1∶2時(shí)在150℃條件下反應(yīng)7h可