一种使用溶胶-凝胶旋涂法制备致密CuO薄膜的方法技术

本发明专利技术公开了一种使用溶胶‑凝胶旋涂法制备致密CuO薄膜的方法，所述方法包括以下步骤：配置Cu

A method for preparing dense CuO thin films by sol-gel spin coating method

The invention discloses a method for preparing dense CuO film by sol gel spin coating method. The method comprises the following steps: configuring Cu

【技术实现步骤摘要】
一种使用溶胶-凝胶旋涂法制备致密CuO薄膜的方法
本专利技术涉及一种使用溶胶-凝胶旋涂法制备致密CuO薄膜的方法。
技术介绍
溶胶-凝胶法因其简单易操作、反应条件简单、制备纯度高、反应均匀、可大面积制备样品以及易于控制成品的组分与微观结构等一系列优点而为人们所关注，在制备薄膜方面获得重要应用。溶胶-凝胶法也有一定的缺陷，溶胶大多为有机溶剂或含有机物，在干燥、热解过程中将会逸出许多气体，很容易造成薄膜的破裂。因此，基于溶胶-凝胶法制备的薄膜往往具有较多的孔隙缺陷，且其中晶粒通常为几纳米至几十纳米的小颗粒。CuO是一种成本较为低廉的窄禁带半导体材料，其带隙宽度通常在1.2eV至1.9eV范围，该带隙范围恰能与照射到地面的太阳光谱相匹配，因此其可用作太阳光吸收材料而用于太阳能电池、光催化、光解水等领域。当CuO薄膜用于薄膜太阳能电池吸收层材料时，通常需要其具有致密、平整的组织结构。但以往基于溶胶-凝胶法制备的CuO薄膜通常存在大量的不规则孔隙缺陷，或者表面粗糙度很大，从而限制了基于溶胶-凝胶法制备的此类材料作为薄膜太阳能电池吸收层材料的应用。在以往文献中基于一些软化化学方法制备CuO薄膜的过程中在一定程度上引入了Cl元素，但最终制备的CuO薄膜并不致密、平整，其中最主要的原因是这些研究并没有意识到可利用CuCl2作为中间相助熔，以使制备的CuO薄膜具有良好的生长状态。例如，在关于Cd掺杂CuO薄膜的溶胶-凝胶法制备过程中[R.G.Kadhim,B.R.S.Kzar,EffectofCddopingonstructuralandsomeopticalstudiesofnanoCuOfilmspreparedbysol–geltechnique,WorldScientificNews64(2017)69-83.]，尽管在配制前驱体溶液时采用的原材料中有CuCl2，但由于其采用的络合剂是丙三醇，而丙三醇的分解温度是290℃，尽管最终制备的薄膜经过了500℃高温的热处理，但丙三醇如此高的热解温度还是影响了所制备的生长状态，制备的薄膜表面明显极为粗糙、不够致密平整，晶粒尺寸也不够大。此外，还有大量喷雾热解法制备CuO薄膜的报道，其中也采用了CuCl2作为原材料，但由于热处理温度都较低，都基本是低于350℃，因此制备的CuO薄膜都是较为疏松的，且颗粒细小、粗糙度较大。
技术实现思路
本专利技术针对以上问题的提出，而研究设计一种使用溶胶-凝胶旋涂法制备致密CuO薄膜的方法，来解决传统方法生产的CuO薄膜较为疏松、颗粒细小、粗糙度较大的缺点。本专利技术采用的技术手段如下：一种使用溶胶-凝胶旋涂法制备致密CuO薄膜的方法，包括以下步骤：S1、配制含有Cu2+和Cl-的前驱体溶液，将前驱体溶液在45-90℃恒温装状态下搅拌，过滤后静置陈化，得到溶胶体系；S2、使用步骤S1制得的溶胶体系旋涂制膜，并进行热解，至少重复一次上述旋涂与热解过程，得到预制薄膜；S3、将预制薄膜进行热处理，热处理温度不低于400℃，得到CuO薄膜。进一步地，步骤S1中，Cu2+的来源为含有铜元素的盐，Cl-的来源为含有氯元素的盐或酸，将前驱体溶液在60℃水浴锅中搅拌3h，过滤后静置陈化，得到溶胶体系。进一步地，Cu2+的来源为CuCl2、Cu(NO3)2或Cu(CH3COO)2，Cl-的来源为CuCl2、NH4Cl或HCl。进一步地，步骤S1中，水浴温度为60℃，搅拌时间为3h，过滤后静置时间为48h。进一步地，所述前驱体溶液中Cl-与Cu2+的摩尔比的范围是0.05～3。进一步地，步骤S2中，以玻璃为基片，在匀胶机上进行旋涂制膜，匀胶机转速为5500r/min，旋转时间为15s。进一步地，步骤S2中，热解温度为100～450℃。进一步地，步骤S2中，重复旋涂与热解过程10次。进一步地，步骤S3中，热处理温度范围在400℃～600℃。本专利技术借鉴难熔氧化物烧结制备过程中引入助熔剂的方案，在溶胶-凝胶法制备CuO薄膜过程中，在成膜过程中引入了氯元素，并经过了合适的前驱体溶液配制、热解和退火工艺优化，相关前驱体溶液配制中涉及的有机物络合剂和溶剂等将避免高分解温度物质的使用。其中，主要利用引入的Cl-能够形成低熔点的CuCl2中间相，该物相的熔点为498℃，在合适的热处理温度下，借助该中间相能够使制备的CuO薄膜具有良好的生长状态。而且，经过合适的温度热处理后，CuCl2中间相可充分被氧化为CuO，并不会在制得的CuO薄膜中残留严重的杂质相。与现有技术比较，本专利技术所述的一种使用溶胶-凝胶旋涂法制备致密CuO薄膜的方法，致密、结晶良好、表面较平整，制备的CuO薄膜具有致密的微观组织结构、良好的结晶状态和较为平整的表面形貌。附图说明图1是以CuCl2·2H2O为原料制备、350℃热解、500℃热处理的CuO薄膜的SEM照片；图2是以CuCl2·2H2O为原料制备、350℃热解、500℃热处理的CuO薄膜的XRD谱图；图3是以Cu(CH3COO)2·H2O为原料制备、350℃热解、500℃热处理的CuO薄膜的SEM照片；图4是以Cu(CH3COO)2·H2O为原料制备、350℃热解、500℃热处理的CuO薄膜的XRD谱图；图5是以Cu(NO3)2·3H2O为原料制备、350℃热解、500℃热处理的CuO薄膜的SEM照片；图6是以Cu(NO3)2·3H2O为原料制备、350℃热解、500℃热处理的CuO薄膜的XRD谱图。图7是以CuCl2·2H2O为原料制备、100℃热解、400℃热处理的CuO薄膜的SEM照片；图8是以CuCl2·2H2O为原料制备、100℃热解、400℃热处理的CuO薄膜的XRD谱图；图9是以CuCl2·2H2O为原料制备、450℃热解、600℃热处理的CuO薄膜的SEM照片；图10是以CuCl2·2H2O为原料制备、450℃热解、600℃热处理的CuO薄膜的XRD谱图；图11是以Cu(CH3COO)2·H2O为原料制备、100℃热解、400℃热处理的CuO薄膜的SEM照片；图12是以Cu(CH3COO)2·H2O为原料制备、100℃热解、400℃热处理的CuO薄膜的XRD谱图；图13是以Cu(CH3COO)2·H2O为原料制备、450℃热解、600℃热处理的CuO薄膜的SEM照片；图14是以Cu(CH3COO)2·H2O为原料制备、450℃热解、600℃热处理的CuO薄膜的XRD谱图；图15是以Cu(NO3)2·3H2O为原料制备、100℃热解、400℃热处理的CuO薄膜的SEM照片；图16是以Cu(NO3)2·3H2O为原料制备、100℃热解、400℃热处理的CuO薄膜的XRD谱图。图17是以Cu(NO3)2·3H2O为原料制备、450℃热解、600℃热处理的CuO薄膜的SEM照片；图18是以Cu(NO本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种使用溶胶-凝胶旋涂法制备致密CuO薄膜的方法，其特征在于：包括以下步骤：/nS1、配制含有Cu

【技术特征摘要】
1.一种使用溶胶-凝胶旋涂法制备致密CuO薄膜的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、配制含有Cu2+和Cl-的前驱体溶液，将前驱体溶液在45-90℃恒温装状态下搅拌，过滤后静置陈化，得到溶胶体系；
S2、使用步骤S1制得的溶胶体系旋涂制膜，并进行热解，至少重复一次上述旋涂与热解过程，得到预制薄膜；
S3、将预制薄膜进行热处理，热处理温度不低于400℃，得到CuO薄膜。


2.根据权利要求1所述的使用溶胶-凝胶旋涂法制备致密CuO薄膜的方法，其特征在于：步骤S1中，Cu2+的来源为含有铜元素的盐，Cl-的来源为含有氯元素的盐或酸，将前驱体溶液在60℃水浴锅中搅拌3h，过滤后静置陈化，得到溶胶体系。


3.根据权利要求2所述的使用溶胶-凝胶旋涂法制备致密CuO薄膜的方法，其特征在于：Cu2+的来源为CuCl2、Cu(NO3)2或Cu(CH3COO)2，Cl-的来源为CuCl2、NH4Cl或HCl。


4.根据权利要求2所述的使用溶胶-凝胶旋...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘超前，伦婷婷，王楠，翟晓娜，宋孟思，
申请(专利权)人：大连交通大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21