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低温液相法制备三元硫属半导体薄膜的研究

石勇  
【摘要】: 以纳米多孔TiO_2作光电极, CuInS_2或CuInSe_2等无机纳米粒子作吸收层的ETA太阳能电池由于成本低廉,是光伏新技术发展的重要方向。采用化学浴、SILAR、电沉积法等低温液相法制备上述硫化物具有低成本、绿色无污染、工艺温和的优点。本文以硫属半导体薄膜在ETA电池的应用为背景,综述了太阳能电池的发展和种类、硫属化合物的性能及应用和三元硫属半导体薄膜的制备工艺。课题研究了化学浴,SILAR,电沉积法制备CuInS_2、CuInSe_2薄膜,通过XRD、SEM、XPS、霍尔测量系统等的测试分析,研究了上述制备方法和工艺过程对薄膜结构与性能的影响,对不同方法下的成膜反应进行了解释。 本文采用化学浴法,以CuCl_2和InCl_3为反应物,三乙醇胺为络合剂,硫脲(CS(NH_2)_2)为硫源,沉积时间为8~1_2h,经500℃热处理1h可制备致密均匀、组成接近化学计量的单相黄铜矿CuInS_2薄膜,薄膜吸收系数大于104cm-1,禁带宽度Eg为1.42eV。沉积时间低于12h时,薄膜生长速度稳定,约为15nm/h,而大于12h后薄膜生长变慢,粗糙度增大。 连续离子吸附反应法(SILAR)采用独立的水溶性离子前驱体,按照非均相生长机理沉积成膜,原料浪费少、制备条件温和,污染小,但尚未有SILAR法制备三元化合物的报导。本文首次采用SILAR法,分别以混合CuCl_2、InCl_3前驱体为Cu、In源,Na_2S、Na_2SeSO_3为硫源和硒源制备出黄铜矿结构、沿(112)面择优取向的CuInS_2和CuInSe_2薄膜,考察了多孔TiO_2基底上SILAR法CuInS_2的沉积情况。实验结果表明:制备接近化学计量CuInS_2、CuInSe_2薄膜时溶液中[Cu]/[In]比分别为1.25和1.5,适当提高热处理温度和延长热处理时间均有利于改善薄膜的结晶程度和表面均匀性,制备CuInS_2、CuInSe_2较适宜的热处理温度分别是450℃和400℃,随热处理温度升高,薄膜电阻率下降,光吸收系数、载流子浓度、迁移率增加,CuInS_2禁带宽度从1.34 eV增至1.48 eV,CuInSe_2禁带宽度Eg的值从0.94eV升高到0.98eV。由于纳米多孔材料的表面效应,在多孔TiO_2基底上制备的CuInS_2薄膜结合更加紧密,吸收系数明显增大、结晶度提高,禁带宽度Eg在1.37~1.44 eV之间,说明TiO_2基底上沉积CuInS_2后,对可见光具有很好的吸收特性。 电化学沉积法在太阳能电池薄膜制备领域一直得到广泛关注。本文采用一步恒电位法,以CuSO_4、SeO_2、In_2(SO_4)_3、柠檬酸组成沉积液,首次研究了多孔TiO_2基底上CuInSe_2薄膜的沉积情况。实验表明:与ITO基底上沉积相比,多孔TiO_2基底上CuInSe_2沉积电位从-750mV负移到-1250mV左右,XRD结果显示-1100mV是适宜的沉积电位。热处理后,薄膜组成更接近化学计量,结晶度改善,光吸收系数大幅度提高,而禁带宽度有所下降,这可能与CuInSe_2和TiO_2的界面反应有关。


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