一种双掺杂铜锌锡硫薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术涉及光电材料技术领域，尤其涉及一种双掺杂铜锌锡硫薄膜及其制备方法。本发明专利技术公开了一种双掺杂铜锌锡硫薄膜的制备方法，该制备方法简单，制备过程中共使用三次超声处理，使得各反应原料可以完全溶解成均一的溶液，从而制备出的前驱体溶胶体系更加稳定，能够长期保存。另外，该制备方法制备得到的铜锌锡硫薄膜为双掺杂铜锌锡硫薄膜。该薄膜缺陷少，颗粒大，结晶度和吸收系数高，解决了现有的铜锌锡硫薄膜的颗粒过小且缺陷多的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种双掺杂铜锌锡硫薄膜及其制备方法
本专利技术涉及光电材料
，尤其涉及一种双掺杂铜锌锡硫薄膜及其制备方法。
技术介绍
随着能源问题的凸显及人类环保意识的提升，太阳能逐渐得到重视，引发人们对太阳能电池技术的探索。铜锌锡硫太阳能电池吸收层的组成元素无毒环保且含量丰富，制造成本较低，使铜锌锡硫太阳能电池成为当前的研究热点。但铜锌锡硫太阳能电池转换效率仍维持在较低水平，原因是现有技术制备的铜锌锡硫薄膜的颗粒过小，且存在铜锌反位缺陷、铜空位缺陷、锌空位缺陷以及复合缺陷等多种缺陷。
技术实现思路
本专利技术提供了一种双掺杂铜锌锡硫薄膜及其制备方法，解决了现有的铜锌锡硫薄膜的颗粒过小且缺陷多的问题。其具体技术方案如下：本专利技术提供了一种双掺杂铜锌锡硫薄膜的制备方法，包括以下步骤：步骤1：将含锡化合物、含铜化合物、含锌化合物和含第一掺杂金属化合物溶于第一有机溶剂中，进行第一超声处理，得到第一溶液；步骤2：将含第二掺杂金属化合物和含硫化合物溶于第二有机溶剂中，进行第二超声处理，得到第二溶液；步骤3：将所述第一溶液和所述第二溶液混合后进行第三超声处理，得到前驱体溶胶；步骤4：将所述前驱体溶胶旋凃到衬底上，进行硫化，得到双掺杂铜锌锡硫薄膜；所述含第一掺杂金属化合物中的第一掺杂金属为锰、镉、铁、镁或钴，更优选为锰，所述含第二掺杂金属化合物中的第二掺杂金属为银或锂，更优选为银。本专利技术中，含锡化合物为可溶性锡盐，更优选为氯化亚锡；含铜化合物为可溶性铜盐，更优选为醋酸铜；含锌化合物为可溶性锌盐，更优选为醋酸锌；含硫化合物优选为硫脲；含第一掺杂金属化合物为锰盐，更优选为醋酸锰；含第二掺杂金属化合物为银盐，更优选为硝酸银。本专利技术中，第一有机溶剂选自乙醇、乙二醇、乙二醇甲醚或N，N-二甲基甲酰胺，优选为乙二醇；第二有机溶剂为乙二醇和乙酰丙酮，其中，乙二醇与乙酰丙酮的体积比为5：1。本专利技术中，所述第一溶液为牛奶状溶液，所述第二溶液为透明澄清溶液。本专利技术中，在所述旋涂之前，先对衬底依次采用肥皂水、去离子水、丙酮、无水乙醇和去离子水进行超声清洗。优选地，所述第一超声处理的温度为60～80℃，所述第一超声处理的时间为1.5h～3h，更优选为80℃，2h；所述第二超声处理的温度为60～80℃，所述第二超声处理的时间为1.5h～3h，更优选为80℃，2h。优选地，所述第三超声处理的温度为60～80℃，所述第三超声处理的时间为10min～20min，更优选为80℃，15min。本专利技术采用溶胶凝胶法制备前驱体溶胶，在此过程中共使用三次超声处理，超声波在液体中传播时的声压剧变使液体发生强烈的空化和乳化现象，每秒钟产生数百万计的微小空化气泡，这些气泡在声压作用下急速地大量产生，并不断地猛烈爆破，产生强大的冲击力和负压吸力，使得超声振荡具有无孔不入的特点，比现有技术中制备铜锌锡硫薄膜使用磁力搅拌的溶解效率高，所制备出的溶液更加均一，所制备出的溶胶体系更加稳定，能够长期保存。使得原先较难溶于溶剂生成溶胶的原料溶解并顺利制备出稳定的溶胶，确保溶胶凝胶法制备出双掺杂的铜锌锡硫薄膜，例如，硝酸银、醋酸锰、醋酸铜、氯化亚锡等原料一次性混合易反应生成难溶物，难溶于有机溶剂，从而难以生成溶胶。另外，超声处理还能够增大双掺杂铜锌锡硫薄膜颗粒，减少缺陷，提高结晶度和吸收系数。优选地，步骤4所述将所述前驱体溶胶旋凃到衬底上之后，所述进行硫化之间，还包括：微波加热；所述微波加热的功率为700W，使用低档位加热，所述微波加热的时间为10～30min，更优选为30min。需要说明的是，微波加热的实质是被加热体内部偶极分子高频往复运动，产生内摩擦热而使被加热体温度升高，无需任何热传导过程就能使被加热体内外部同时加热、同时升温，加热速度快且均匀，仅需传统加热方式能耗的几分之一或几十分之一就可达到加热目的。本专利技术双掺杂铜锌锡硫薄膜在经过微波处理后优先形成均匀的核，之后在硫化阶段开始长大，使得该方法制备的薄膜颗粒增大且均匀。而传统加热方式温度梯度大，形核不均匀，使得薄膜颗粒小且不均匀。现有技术中薄膜的颗粒粒径为0.3μm～1.5μm，而本申请双掺杂的铜锌锡硫薄膜颗粒的粒径可以达到3.33μm。本专利技术中，所述旋涂之后，所述微波加热之间，还包括：干燥；所述干燥具体为：在烘胶机上250℃空气环境中干燥1.5min；本专利技术中，旋涂和干燥重复十次后再进行微波加热。本专利技术中，所述硫化的温度为530～550℃，所述硫化的时间为0.5h～2h，优选为530℃，1h；所述硫化具体为：将微波加热后得到的样品置于石英舟中，且所述样品的侧边伴有纯度99.95％的硫粉，将石英舟置于管式炉内以进行硫化处理，并引入氮气作为保护气体。硫化过程中加热速率优选为2℃/min，冷却方式为随炉冷却至室温。优选地，所述前驱体溶胶中所述第一掺杂金属原子数量与所述第一掺杂金属原子和含铜化合物中铜原子总原子数量的比例为1：3～3：3，更优选为2：3。优选地，所述前驱体溶胶中所述第二掺杂金属原子数量与所述第二掺杂金属原子和所述含锌化合物中锌原子总原子数量的比例为1：3～3：3，更优选为3：3。优选地，所述衬底选自镀氟掺杂二氧化锡的钠钙玻璃、镀钼的钠钙玻璃、钠钙玻璃或镀氧化铟锡的钠钙玻璃，更优选为镀氟掺杂二氧化锡的钠钙玻璃。优选地，步骤1所述含第一掺杂金属化合物的浓度为0～7.23×10-4mol/L，更优选为7.23×10-4mol/L、2.41×10-4mol/L和4.82×10-4mol/L，所述含铜化合物的浓度为0～1.15×10-3mol/L，更优选为3.83×10-4mol/L和7.66×10-4mol/L，所述含锌化合物浓度为0～7.23×10-4mol/L，更优选为0mol/L、4.82×10-4mol/L和2.41×10-4mol/L，所述含锡化合物的浓度为6.0～7.0×10-4mol/L，更优选为6.29×10-4mol/L和6.23×10-4mol/L。优选地，步骤2中所述含第二掺杂金属化合物的浓度为0～7.66×10-4mol/L，更优选为4.94×10-4mol/L、2.55×10-4mol/L、5.10×10-4mol/L、7.66×10-4mol/L，所述含硫化合物的浓度为3.0～4.0×10-3mol/L，更优选为3.06×10-3mol/L。本专利技术还提供了上述制备方法制得的双掺杂铜锌锡硫薄膜。现有技术中掺杂的铜锌锡硫薄膜均为单掺杂，例如，银掺杂的铜锌锡硫薄膜和锰掺杂的铜锌锡硫薄膜，其虽然在一定程度上降低了铜锌锡硫薄膜内部的铜锌反位缺陷，但是银掺杂增大了薄膜的光学带隙，对于铜锌锡硫薄膜的光吸收是不利的。锰单掺杂虽然减小了铜锌锡硫薄膜的光学带隙，但是对于降低铜锌锡硫薄膜内部缺陷的效果不好。本专利技术中，双掺杂铜锌锡硫薄膜颗粒较大，缺陷少，结晶度和吸收系数高。从以上技术方案可以看出，本专利技术具有以下优点：本专利技术提供了一种双掺杂铜锌锡硫薄膜的制备方法，该制备方法简单，制备过程中共使用三次超声处理，使得各反应原料可以完全溶解成均一的溶液，从而制备出的前驱体溶胶体系更加稳定，能够长期保存。另外，该制备方法制备得到的铜锌锡硫薄膜为双掺杂铜锌锡硫薄膜。该薄膜颗粒大，结晶度和吸收系数高，缺陷少。附图说明为了更清楚地说明本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双掺杂铜锌锡硫薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：将含锡化合物、含铜化合物、含锌化合物和含第一掺杂金属化合物溶于第一有机溶剂中，进行第一超声处理，得到第一溶液；步骤2：将含第二掺杂金属化合物和含硫化合物溶于第二有机溶剂中，进行第二超声处理，得到第二溶液；步骤3：将所述第一溶液和所述第二溶液混合后进行第三超声处理，得到前驱体溶胶；步骤4：将所述前驱体溶胶旋凃到衬底上，进行硫化，得到双掺杂铜锌锡硫薄膜；所述含第一掺杂金属化合物中的第一掺杂金属为锰、镉、铁、镁或钴，所述含第二掺杂金属化合物中的第二掺杂金属为银或锂。

【技术特征摘要】
1.一种双掺杂铜锌锡硫薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：将含锡化合物、含铜化合物、含锌化合物和含第一掺杂金属化合物溶于第一有机溶剂中，进行第一超声处理，得到第一溶液；步骤2：将含第二掺杂金属化合物和含硫化合物溶于第二有机溶剂中，进行第二超声处理，得到第二溶液；步骤3：将所述第一溶液和所述第二溶液混合后进行第三超声处理，得到前驱体溶胶；步骤4：将所述前驱体溶胶旋凃到衬底上，进行硫化，得到双掺杂铜锌锡硫薄膜；所述含第一掺杂金属化合物中的第一掺杂金属为锰、镉、铁、镁或钴，所述含第二掺杂金属化合物中的第二掺杂金属为银或锂。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤4所述将所述前驱体溶胶旋凃到衬底上之后，所述进行硫化之间，还包括：微波加热；所述微波加热的时间为10～30min。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一超声处理的温度为60～80℃，所述第一超声处理的时间为1.5h～3h；所述第二超声处理的温度为60～80℃，所述第二超声处理的时间为1.5h～3h。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第三超声处理的温度为60～80℃，所述第三超声处理的时间为10...

【专利技术属性】
技术研发人员：许佳雄，邱磊，庄楚楠，谢致薇，杨元政，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东,44