一种低温等离子硫化制备硫化锑薄膜的方法技术

本发明专利技术涉及一种低温等离子硫化制备硫化锑薄膜的方法，属于光电功能材料技术领域。本发明专利技术先制备金属锑、氧化锑或氢氧化锑的薄膜，再采用低温等离子发生器对固体硫源进行低温等离子化形成等离子态硫，等离子态硫对薄膜进行低温等离子硫化处理得到硫化锑薄膜。本发明专利技术在惰性气体环境下，将惰性气体经过电场作用等离子化后获得高活性的惰性气体离子和电子，高活性惰性气体离子、电子与固体硫源相互碰撞，生成等离子态硫；各种粒子之间的相互碰撞带来的环境温度升高增加了固体硫源的热运动，又进一步促进了等离子态硫的生成。等离子态硫由于具有较高活性，可快速实现薄膜的硫化得到硫化锑薄膜。本发明专利技术硫化锑薄膜成分均匀、结构平整、致密、晶粒尺寸大。

A method of preparing antimony sulfide thin films by low temperature plasma vulcanization

【技术实现步骤摘要】
一种低温等离子硫化制备硫化锑薄膜的方法
本专利技术涉及一种低温等离子硫化制备硫化锑薄膜的方法，属于光电功能材料

技术介绍
硫化锑（Sb2S3）的晶体结构属于正交晶系辉锑矿结构，硫化锑（Sb2S3）用于制作太阳电池领域，具有合适的禁带宽度（1-1.72eV），大的吸光系数（短波长可见光吸光系数>105cm-1），大的相对介电常数（为9.5，大于CdTe的7.1），可做为薄膜光伏吸收层材料、光催化材料及电催化材料。Sb2S3的组成和物相都比较简单，在常温下只有一种物相组成，可有效避免制备过程中杂相生成的问题。Sb2S3的熔点为550℃，又具有较强的挥发性，因此在高温条件下制备得到的Sb2S3薄膜容易出现因组元挥发带来的结构疏松及成分偏离等问题。然而，目前Sb2S3薄膜均采用基于热活化的技术来制备，即通过高温加热实现组元之间的反应并形成所需的化合物薄膜。这类方法都不免因高温的引入而带来结构疏松及成分偏离等问题。因此，为了实现薄膜太阳电池的大规模应用，急需一种可大面积制备结构致密、晶粒尺寸大的Sb2S3薄膜的方法。
技术实现思路
本专利技术针对现有热活化技术制备Sb2S3薄膜容易出现因组元挥发带来的结构疏松及成分偏离等问题，提供一种低温等离子硫化制备硫化锑薄膜的方法，即在惰性气体比如氩气环境下，将氩气经过电场作用后等离子化获得高活性的氩离子和电子，高活性氩离子和电子相互碰撞，同时也与固体硫源碰撞，从而生成等离子态硫；各种粒子之间的相互碰撞带来的环境温度升高增加了固体硫源的热运动，又进一步促进了等离子态硫的生成，等离子态硫由于具有较高活性，可快速实现金属锑、氧化锑或氢氧化锑膜的硫化得到硫化锑薄膜。本专利技术硫化锑薄膜具有成分均匀、结构平整、致密、晶粒尺寸大的特点，可用于制备硫化锑薄膜太阳能电池。一种低温等离子硫化制备硫化锑薄膜的方法，具体步骤如下：（1）制备金属锑、氧化锑或氢氧化锑薄膜；（2）采用低温等离子发生器对固体硫源进行低温等离子化形成等离子态硫，等离子态硫对金属锑、氧化锑或氢氧化锑薄膜进行低温等离子硫化处理得到硫化锑薄膜。所述步骤（1）金属锑薄膜的制备方法包括但不限于气相沉积法、喷雾热解法、化学浴沉积法、电沉积法、蒸发镀膜、等离子镀膜法、PECVD镀膜法；氧化锑的制备方法为喷雾热解法、化学浴沉积后热处理法或溅射法；氢氧化锑薄膜的制备方法为喷雾热解法或化学浴沉积法。所述步骤（2）固体硫源中硫原子与金属锑、氧化锑或氢氧化锑薄膜中锑原子的摩尔比为(1.5~100):1。进一步的，所述固体硫源包括但不限于硫化锑、硫化钼、硫化钨、硫铁矿、黄铜矿、废轮胎、硫单质。所述步骤（2）低温等离子发生器的工作压力为0.1~103Pa、功率为1~600W、温度为50~300℃，低温等离子硫化处理时间为1~600min。所述硫化锑薄膜的厚度为0.01~500μm。进一步的，低温等离子体环境设备可以采用PECVD设备、耦合了射频感应线圈的低压腔室或其它能创造出所需要的低温等离子体环境的设备。本专利技术低温等离子硫化法是在电场的作用下，固态硫物质内部的不同电性的粒子会受到方向相反的电场力，当电场足够强时正负粒子就无法再集合在一起，最终成为可以自由运动的离子，固态硫物质中的硫原子也转化为等离子态硫，固态硫中的硫原子转化为等离子态硫在较低温度条件即可完成，无需高温。低温等离子硫化制备硫化锑薄膜的原理（见图1）：在惰性气体比如氩气环境下，将氩气经过电场作用后等离子化获得高活性的氩离子和电子，高活性氩离子和电子相互碰撞，同时也与固体硫源碰撞，从而生成等离子态硫；各种粒子之间的相互碰撞带来的环境温度升高增加了固体硫源的热运动，又进一步促进了等离子态硫的生成。等离子态硫由于具有较高活性，可快速实现金属锑、氧化锑或氢氧化锑薄膜的硫化得到硫化锑薄膜。本专利技术的有益效果是：（1）本专利技术固体硫源等离子活化本质不同于热活化，等离子化过程中生成的电子没有直接参与反应，容易在膜表面形成鞘电场，促进等离子态正价硫进入锑、氧化锑或氢氧化锑薄膜，为体积膨胀的过程，有利于硫化锑薄膜的致密化；等离子态硫为高度不稳定物相，具有较高的反应活性使其更容易与金属锑、氧化锑或氢氧化锑薄膜结合，并且不容易在薄膜内存积，有利于制备符合化学计量比的硫化锑；（2）本专利技术等离子硫化制备硫化锑薄膜的方法不仅能够实现薄膜的低温生长，有利于缩短热活化反应操作过程中的降温过程，实现材料的短流程制备；并且能克服传统热活化工艺中受反应活性、预制层质量和加热制度等影响产生的二次相和各种缺陷；（3）本专利技术等离子硫化制备的硫化锑薄膜的方法为化合物半导体薄膜的柔性化制备方法，简单易行，成本低廉，所制备的硫化锑薄膜具有成分均匀、结构平整、致密、晶粒尺寸大的特点，适用于制备太阳能电池。附图说明图1为低温等离子硫化制备硫化锑薄膜的原理图；图2为实施例1金属锑薄膜的表面SEM图；图3为实施例1硫化锑薄膜的光电化学响应曲线；图4为实施例2硫化锑薄膜表面SEM图；图5为实施例2硫化锑薄膜的光电化学响应曲线；图6为实施例3不同功率下获得硫化锑薄膜的X射线衍射曲线；图7为实施例4不同功率下获得硫化锑薄膜的拉曼光谱图；图8为实施例5硫化锑薄膜的光电化学响应曲线。具体实施方式下面结合具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明，但本专利技术的保护范围并不限于所述内容。实施例1：一种低温等离子硫化制备硫化锑薄膜的方法，具体步骤如下：（1）采用气相沉积法制备金属锑薄膜（见图2）：以SbCl3(纯度为99.99%)与H2(纯度为99.99%)为原料，在钠钙玻璃基体上沉积纯锑薄膜：沉积过程在石英管式炉中进行，沉积炉通过电阻丝加热，通过可控硅调压器控制和调节沉积系统功率，采用镍络−镍硅热电偶进行基体温度的测量，采用针阀和流量计控制SbCl3和H2气体流量，沉积温度为400℃左右，混合气体比例为n(SbCl3):n(H2)=1:2，沉积炉出气端通入饱和KOH溶液后点燃或向大气排空；从本实施例金属锑薄膜的表面SEM图可知，本实施例获得的金属锑薄膜平整，表面无明显空洞，由于工艺设备的限制有少量突起和裂纹；（2）将硫化锑和1cm2的金属锑薄膜置于PECVD设备中，PECVD设备的工作气体为氩气，设置PECVD设备的工作气压为0.1Pa，PECVD设备等离子发生器功率为1W，工作温度为300℃，低温等离子发生器对固体硫源进行低温等离子化形成等离子态硫，即氩气经过电场作用后等离子化获得高活性的氩离子和电子，高活性氩离子和电子相互碰撞，同时也与硫化锑碰撞，从而生成等离子态硫，各种粒子之间的相互碰撞带来的环境温度升高增加了固体硫源的热运动，又进一步促进了等离子态硫的生成；等离子态硫由于具有较高活性，可对金属锑薄膜进行低温等离子硫化处理得到硫化锑薄膜；其中固体硫源（硫化锑）中硫原子与金属锑薄膜中锑原子的摩尔比为100:1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低温等离子硫化制备硫化锑薄膜的方法，其特征在于，具体步骤如下：/n（1）制备金属锑、氧化锑或氢氧化锑薄膜；/n（2）采用低温等离子发生器对固体硫源进行低温等离子化形成等离子态硫，等离子态硫对金属锑薄膜、氧化锑或氢氧化锑进行低温等离子硫化处理得到硫化锑薄膜。/n

【技术特征摘要】
1.一种低温等离子硫化制备硫化锑薄膜的方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）制备金属锑、氧化锑或氢氧化锑薄膜；
（2）采用低温等离子发生器对固体硫源进行低温等离子化形成等离子态硫，等离子态硫对金属锑薄膜、氧化锑或氢氧化锑进行低温等离子硫化处理得到硫化锑薄膜。


2.根据权利要求1所述低温等离子硫化制备硫化锑薄膜的方法，其特征在于：步骤（1）金属锑薄膜的制备方法包括但不限于气相沉积法、喷雾热解法、化学浴沉积法、电沉积法、蒸发镀膜法、等离子镀膜法、PECVD镀膜法；氧化锑的制备方法为喷雾热解法、化学浴沉积后热处理法或溅射法；氢氧化锑薄膜的制备方法为喷雾热解法或化学浴沉积法。


3.根据权利要求1所述低温等离子硫化...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨佳，欧于学，刘国豪，张君，司圣和，徐宝强，李绍元，万贺利，杨斌，马文会，熊恒，刘大春，郁青春，李一夫，田阳，蒋文龙，戴永年，宋宁，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南;53