一种高质量铜锌锡硫半导体薄膜的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高质量铜锌锡硫半导体薄膜的制备方法。本方法通过真空加热蒸发的方式，将分别放在不同的钨舟或钼舟中的高纯度铜、锌、锡金属依次沉积在加热至20～200℃的衬底上，得到金属薄膜前驱体，然后经过硫化金属薄膜前驱体得到高质量的铜锌锡硫薄膜。本发明专利技术通过改变衬底的温度影响前驱体金属层在衬底上的附着以及三元素间的化学结合，提高了硫化效率，实现高质量铜锌锡硫半导体薄膜的制备。本发明专利技术设备比较简单、操作容易；制成的薄膜纯度高、质量好；成膜速率快、效率高；解决了现有技术中硫化阶段形成杂质影响薄膜质量以及硫化时间长、硫化温度高的问题。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了。本方法通过真空加热蒸发的方式，将分别放在不同的钨舟或钼舟中的高纯度铜、锌、锡金属依次沉积在加热至20～200℃的衬底上，得到金属薄膜前驱体，然后经过硫化金属薄膜前驱体得到高质量的铜锌锡硫薄膜。本专利技术通过改变衬底的温度影响前驱体金属层在衬底上的附着以及三元素间的化学结合，提高了硫化效率，实现高质量铜锌锡硫半导体薄膜的制备。本专利技术设备比较简单、操作容易；制成的薄膜纯度高、质量好；成膜速率快、效率高；解决了现有技术中硫化阶段形成杂质影响薄膜质量以及硫化时间长、硫化温度高的问题。【专利说明】
本专利技术属于光电材料
，具体是。
技术介绍
开发太阳能这一可再生清洁能源成为缓解日益严重的环境污染和能源短缺问题的重要战略决策之一。因此，太阳能利用技术是人类可持续发展策略的关键。太阳能光伏发电最核心的器件是太阳能电池。目前太阳能电池发展迅速，种类繁多。最早开发的单晶硅太阳能电池生产成本高，于是人们开始研究在廉价衬底上沉积多晶硅薄膜制备多晶硅太阳能电池。之后，美国贝尔实验室制成第一个非晶硅太阳能电池，研究人员不断的优化该类太阳能电池使其首先实现了商品化。还有其他材料的太阳能电池被研制出来作为单晶硅电池的替代品，其中主要有硫化镉、碲化镉、铜铟硒、II1-V族化合物等多元化合物薄膜太阳能电池。但是因为镉会污染环境，II1-V族化合物及铟和硒元素来源稀少，这类太阳能电池的发展受到限制。近年来，铜锌锡硫(CZTS)薄膜的研究工作发展起来，因其材料环保、价格低廉、来源广泛及最佳的禁带宽度(1.5eV)、高吸收系数(高于14CnT1)而倍受青睐。 太阳能电池的制备中不仅需要开发廉价、无毒的吸收层材料以降低成本，还很注重用高效率的方法制备高质量的吸收层材料来提高电池的转换效率。制备CZTS薄膜的方法主要包括真空加热蒸发法、电子束蒸发法、磁控溅射法、喷雾热解法、电沉积法、溶胶凝胶法、分子束外延法等。真空加热蒸发法的设备比较简单、操作容易，制成的薄膜纯度高、质量好，厚度可准确控制，成膜速率快、效率高，且薄膜的生长机理比较单纯，被广泛应用。用硫化锌、锡和铜共蒸发制得的金属前驱体制备CZTS薄膜，由于金属蒸发顺序的不可调控，限制了优化CZTS薄膜的结晶质量和结构特性的工作。顺序蒸镀铜、锌、锡金属的叠层金属前驱体被硫化形成CZTS的同时常伴随产生CuxS1YZnSJnS或SnS2等杂质相，会降低CZTS薄膜的质量，而且需要很高的硫化温度和很长的硫化时间。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种高效率制备高质量的铜锌锡硫半导体薄膜的方法，以解决现有技术中硫化阶段形成杂质影响薄膜质量以及硫化时间长、硫化温度高的问题。 本专利技术为实现其目的所采用的技术方案是: ，包括以下步骤: (I)将金属铜、锌和锡分别放在不同的钨舟或钥舟中，加热衬底，通过真空加热蒸发将金属沉积到衬底上，得到金属薄膜前驱体； (2)将金属薄膜前驱体与硫粉置于真空或者保护气体下，升温至硫化温度进行硫化，得到高质量的铜锌锡硫半导体薄膜。 进一步地，在步骤(I)中加热衬底至20?200°C。 进一步地,在步骤(I)中加热衬底至50?100°C。 进一步地，在步骤(I)中加热衬底至50°C。 进一步地，在步骤(I)中通过转动衬底载台，确保衬底在蒸发源正上方位置，从而实现不同的金属蒸发顺序。 进一步地，在步骤⑴中真空加热蒸发的真空度高于10_4Pa。 进一步地，在步骤(2)中所述保护气体是氮气或氩气。 进一步地，步骤(2)的硫化温度为200?400°C，硫化时间为0.5?2h。 进一步地，铜、锌和锡的摩尔比是3?5:2?4:2?3。 进一步地，所述的衬底为玻璃、硅片或不锈钢片。 进一步地，在步骤(I)之前依次用丙酮、酒精、去离子水浸泡、超声清洗衬底，然后烘箱烘干备用。 本专利技术的有益效果是:本专利技术用真空加热蒸发法分两步制备铜锌锡硫半导体薄膜，该方法通过加热衬底至20?200°C，可使顺序蒸镀到衬底上的铜、锌、锡形成合金结构，减少硫化阶段杂质相的形成，有效提高铜锌锡硫相的生成，优化薄膜结构，从而提高所制备的铜锌锡硫半导体薄膜的质量；同时还可以缩短硫化时间、降低硫化温度，从而提高薄膜制备的速度，降低生产成本；本专利技术制备的半导体薄膜廉价环保、生长机理比较单纯，使用该薄膜制备太阳能电池可以降低太阳能电池的成本，质量更高的薄膜也提高了太阳能转化效率。综上所述，本专利技术的设备简单、操作容易；成膜速率快、效率高；制成的铜锌锡硫半导体薄膜纯度高、质量好。 【专利附图】【附图说明】 图1为实施例1和对比例1、对比例2所制备的铜锌锡硫半导体薄膜的XRD图； 图2为实施例1和对比例1、对比例2所制备的铜锌锡硫半导体薄膜的Raman图； 图3为实施例1和对比例1、对比例2所制备的铜锌锡硫半导体薄膜的吸收系数平方与能量之间的关系图。 【具体实施方式】 下面将结合【具体实施方式】对本专利技术中的技术方案进行清楚、完整地描述。 (I)清洗衬底 依次用丙酮、酒精、去离子水浸泡、超声清洗衬底，然后烘箱烘干备用。 (2)制备金属薄膜前驱体 将99.99%及以上高纯度的粉体或颗粒或片状或丝状的铜、锌、锡金属分别放在三个钨舟或钥舟中，置于真空镀膜机的真空腔。加热玻璃衬底到设定的温度，待真空腔的真空度高于10_4Pa，可通过调控电流源调节蒸发温度使蒸发源完全蒸发，通过转动衬底载台，确保衬底在蒸发源正上方位置，实现不同的金属蒸发顺序，金属层沉积在衬底上，得到金属薄膜前驱体。 (3)制备高质量铜锌锡硫半导体薄膜 将制备的合金结构的金属前薄膜驱体和硫粉放在管式炉中，置于氮气或氩气保护气体下或将管式炉抽成真空，防止在空气中暴露被氧化，加热到硫化温度，保温一段时间，待硫化反应结束后，自然冷却至室温，取出样品，得到高质量铜锌锡硫半导体薄膜。 实施例1 将摩尔比为2:1:1的铜、锌和锡分别放在三个钨舟中，置于真空镀膜机的真空腔，取清洗过的玻璃衬底加热到50°C，按照Cu-Zn-Sn的顺序蒸发完全，得到金属薄膜前驱体。将此金属薄膜前驱体和足量高纯的硫粉置于管式炉中，在氮气保护下加热，先以5°C /min的速率升温至400°C，再保温lh，最后得到厚度约为1.5μπι的铜锌锡硫半导体薄膜。 实施例2 将摩尔比为5:3:2的铜、锌和锡分别放在三个钨舟中，置于真空镀膜机的真空腔，取清洗过的硅片衬底加热到20°C，按照Sn-Zn-Cu的顺序蒸发完全，得到金属薄膜前驱体。将此金属薄膜前驱体和足量高纯的硫粉置于管式炉中，在氩气保护下加热，先以5°C /min的速率升温至200°C，再保温2h，最后得到厚度约为1.6 μ m的铜锌锡硫半导体薄膜。 实施例3 将摩尔比为3:2:2的铜、锌和锡分别放在三个钥舟中，置于真空镀膜机的真空腔，取清洗过的不锈钢片衬底加热到200°C，按照Zn-Sn-Cu的顺序蒸发完全，得到金属薄膜前驱体。将此金属薄膜前驱体和足量高纯的硫粉置于管式炉中，将管式炉抽成真空，加热，先以5°C /min的速率升温至300°C，再保温0.5h，最后得到厚度约为1.4μ m的铜锌锡硫半导体薄膜。 实施例4 将摩尔比为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高质量铜锌锡硫半导体薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将金属铜、锌和锡分别放在不同的钨舟或钼舟中，加热衬底，通过真空加热蒸发将金属沉积到衬底上，得到金属薄膜前驱体；(2)将金属薄膜前驱体与硫粉置于真空或者保护气体下，升温至硫化温度进行硫化，得到高质量的铜锌锡硫半导体薄膜。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：范东华，张俊芝，
申请(专利权)人：五邑大学，
类型：发明
国别省市：广东;44