本发明专利技术公开了一种增强二氧化钛薄膜光吸收的图案化复合薄膜制备方法。本发明专利技术以Ti(SO4)2和H2O2为前驱体溶液在玻璃基底上制备TiO2纳米薄膜；然后利用紫外光刻的技术在TiO2纳米薄膜表面制备图案化的自组装单分子膜；最后利用化学浴的方法，选择性的沉积Cu2S纳米晶，在TiO2纳米薄膜表面制备图案完整、边界清晰、结构致密的图案化纳米Cu2S薄膜。以图案化的Cu2S纳米薄膜作为光的吸收层，TiO2纳米薄膜为电子注入层，形成的图案化微结构Cu2S/TiO2复合薄膜p-n异质结，可有效提高TiO2纳米薄膜的光吸收强度，扩大了光吸收波长范围，从而进一步增强薄膜的太阳光吸收效率，这种图案化复合薄膜在太阳能电池、光电开关、光电转换以及光存储等领域有广阔的应用前景。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及半导体图案化薄膜的制备技术，特别是涉及在二氧化钛纳米薄膜表面 制备图案化纳米Cu2S薄膜，以增强太阳光吸收效率的复合薄膜制备技术。
技术介绍
Cu2S作为一种ρ-型半导体材料，具有很好的光电性能，其禁带宽度约1.&V。以 Cu2S为ρ-型半导体的p-Cu2S/n-CdS异质结太阳能电池的光电转化效率可达到10%上，但 由于CdS稳定性差、有毒、界面载流子传递速率较低等原因，限制了其进一步的发展和实际 应用。二氧化钛是一种典型的η-型半导体材料，由于具有独特的光电物理、光催化性能及 优良的化学稳定性，在太阳能电池、光电开关以及光存储等方面具有重要应用，成为近年来 发展最快，最具有活力的科研领域之一，也是代替n-CdS制备异质结太阳能电池的最佳选 择。图案化技术对于现代科学和技术的发展有着重要的意义。据报道，图案化的TW2 薄膜制成太阳能电池后，其光电转换效率是非图案化薄膜的10倍，这是由于界面连接的增 多导致表面积增大。Chen等在实验中发现光电流，光催化行为随着图案尺寸的减小而增强， 所以光电化学性质可以通过图案尺寸大小来调控。目前已经有许多关于P-CuxSAi-TW2复 合薄膜的报道，但是关于以CuxS修饰的具有图案化微结构的CuxS/Ti02纳米复合薄膜的制 备，用以提高薄膜的太阳光吸收效率的专利，至今还未见报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种工艺简单、成本低廉、环境友好的增强二氧化钛薄膜 光吸收性能的图案化纳米复合薄膜的制备方法。本专利技术以Ti (SO4) 2和H2A为前驱体溶液在玻璃基底上制备TiA纳米薄膜；然后利 用紫外光刻的技术在TiO2纳米薄膜表面制备图案化的自组装单分子膜；最后利用化学浴的 方法，以EDTA为络合剂，CuSO4 · 5H20和Na2S2O3为前驱体溶液，选择性的沉积Cu2S纳米晶， 在T^2纳米薄膜表面制备图案完整、边界清晰、结构致密的图案化纳米Cu2S薄膜。一种，其特征在于步骤如 下DTiO2薄膜的制备将玻璃基底浸入3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTQ的无水甲醇 溶液，室温下组装，取出后依次用无水甲醇、二次水清洗，并用氮气吹干；然后取Ti(so4)2、 H2O2和水组成前驱体溶液，并调节pH值为1.6左右；然后将表面具有APTS的玻璃基底置于 此前驱体溶液中，70 80°C沉积20 60min ；2)-CH3/-NH2-SAMs图案化表面的构筑将步骤⑴所制的T^2纳米薄膜置于 十八烷基三氯硅烷(OTS)的正己烷溶液，室温下组装，取出后用正己烷清洗，并用氮气吹 干；然后在表面具有OTS的TiA纳米薄膜上放置掩膜并紫外光照，在光照的过程中，曝光 区域的OTS SAMs变为羟基，得到了 -0H/-CH3SAMs图案化的表面；再将有-0H/-CH3SAMs3图案化的基底放入3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTS)的无水甲醇溶液中，室温下组装，得 到-CH3/-NH2-SAMs图案化表面的构筑；3) Cu2S图案化薄膜的制备将步骤O)已图案化SAMs的基片放入含有硫酸铜、硫 代硫酸钠、EDTA的前驱体溶液中，调节pH值为1 3，65-75°C沉积两次，每次0. 5 Ih ；最 后对Cu2S薄膜在200 300°C氮气保护下烧结处理，在TW2纳米薄膜表面得到图案完整、 边界清晰、结构致密的图案化纳米Cu2S薄膜。上述方案中以图案化的Cu2S薄膜作为光的吸收层，TiO2为电子注入层，这种结构能有效阻止 电子与空穴的复合；制备的纳米Cu2S在单分子膜的诱导下选择性的沉积在-NH2的表面，而-CH3表面 几乎没有沉积；制备的图案化薄膜的成分为纯Cu2S纳米单晶。本专利技术的技术特点是1)本专利技术工艺简单，成本低廉、环境友好、易于实现。2)通过化学吸附在基底表面形成具有活性基团(-NH2)的单分子膜，应用单分子膜 降低无机成核势垒，在较低温度下(70°C )诱导成核与生长。3)本专利技术制备的图案化薄膜图案完整、边界清晰、结构致密，具有良好的稳定性以 及高的选择性。4)本专利技术所制备的图案化薄膜不但可有效的提高TiO2纳米薄膜的光吸收强度，而 且扩大了光吸收波长范围，从而进一步增强薄膜的光吸收效率。在太阳能电池、光电开关、 光电转换以及光存储等方面具有广阔的应用前景。具体实施例方式实施例1 DTiO2薄膜的制备首先将玻璃基底浸入5mM 3_氨丙基三乙氧基硅烷(APTS)的 无水甲醇溶液，室温下组装3h，取出后依次用无水甲醇、二次水清洗，并用氮气吹干；然后 取0. 06g Ti (SO4) 2、0. 058g H2O2和水组成前驱体溶液，并调节pH值为1. 6左右；然后将表 面具有APTS的玻璃基底置于此前驱体溶液中，80°C沉积20min。2)-CH3/-NH2-SAMs图案化表面的构筑首先将步骤(1)所制的T^2纳米薄膜置 于5mM十八烷基三氯硅烷(OTS)的正己烷溶液，室温下组装lh，取出后用正己烷清洗，并 用氮气吹干。然后在表面具有OTS的TW2纳米薄膜上放置掩膜并紫外光照lOmin，在光 照的过程中，曝光区域的OTS SAMs变为羟基，得到了 -OH/-CH3SAMs图案化的表面；再将 有-OH/-CH3SAMs图案化的基底放入5mM 3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTQ的无水甲醇溶液 中，室温下组装3h，即得到-CH3/-NH2-SAMs图案化表面的构筑。3) Cu2S 图案化薄膜的制备将 0. 125g CuSO4. 5H20,0. 279g EDTA 溶解在 50mL 的水 中，形成透明澄清的溶液，滴加IM H2SO4调节pH值为2. 3，然后加入0. 124g的Naj2O3,混合 均勻后，将已图案化SAMs的基片放入该溶液中70°C沉积两次，每次lh。将基片取出后，二次 水冲洗，然后超声清洗5min，用氮气吹干，最后对Cu2S薄膜在30(TC氮气保护下烧结处理。 即可在T^2纳米薄膜表面得到图案化纳米Cu2S薄膜。4实施例2 DTiO2薄膜的制备首先将玻璃基底浸入5mM 3_氨丙基三乙氧基硅烷(APTS)的 无水甲醇溶液，室温下组装3h，取出后依次用无水甲醇、二次水清洗，并用氮气吹干；然后 取0. 06g Ti (SO4) 2、0. 058g H2O2和水组成前驱体溶液，并调节pH值为1. 6左右；然后将表 面具有APTS的基底置于此前驱体溶液中，70°C沉积lh。2) -CH3/-NH2-SAMs图案化表面的构筑方法同实例1。3) Cu2S 图案化薄膜的制备将 0. 25g CuSO4. 5H20,0. 558g EDTA 溶解在 50mL 的水 中，形成透明澄清的溶液，滴加IM H2SO4调节pH值为2. 0，然后加入0. 248g的Naj2O3,混合 均勻后，将已图案化SAMs的基片放入该溶液中70°C沉积两次，每次0. ！。将基片取出后， 二次水冲洗，然后超声清洗5min，用氮气吹干，最后对Cu2S薄膜在250°C氮气保护下烧结处理。实施例3 DTiO2薄膜的制备方法同实例1。 2) -CH3/-NH2-SAMs图案化表面的构筑方法同实例1。3) Cu2S 图案化薄膜的制备将 0. 125g CuSO4. 5H20,0. 279g EDTA 溶解在 5本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种增强二氧化钛薄膜光吸收的图案化复合薄膜制备方法，其特征在于步骤如下：１）ＴｉＯ２薄膜的制备：将玻璃基底浸入３－氨丙基三乙氧基硅烷的无水甲醇溶液，室温下组装，取出后依次用无水甲醇、二次水清洗，并用氮气吹干；然后取Ｔｉ（ＳＯ４）２、Ｈ２Ｏ２和水组成前驱体溶液，并调节ｐＨ值为１．６左右；然后将表面具有ＡＰＴＳ的玻璃基底置于此前驱体溶液中，７０～８０℃沉积２０～６０ｍｉｎ；２）－ＣＨ３／－ＮＨ２－ＳＡＭｓ图案化表面的构筑：将步骤（１）所制的ＴｉＯ２纳米薄膜置于十八烷基三氯硅烷的正己烷溶液，室温下组装，取出后用正己烷清洗，并用氮气吹干；然后在表面具有ＯＴＳ的ＴｉＯ２纳米薄膜上放置掩膜并紫外光照，在光照的过程中，曝光区域的ＯＴＳ ＳＡＭｓ变为羟基，得到了－ＯＨ／－ＣＨ３ ＳＡＭｓ图案化的表面；再将有－ＯＨ／－ＣＨ３ＳＡＭｓ图案化的基底放入３－氨丙基三乙氧基硅烷的无水甲醇溶液中，室温下组装，得到－ＣＨ３／－ＮＨ２－ＳＡＭｓ图案化表面的构筑；３）Ｃｕ２Ｓ图案化薄膜的制备：将步骤（２）已图案化ＳＡＭｓ的基片放入含有硫酸铜、硫代硫酸钠、ＥＤＴＡ的前驱体溶液中，调节ｐＨ值为１～３，６５－７５℃沉积两次，每次０．５～１ｈ；最后对Ｃｕ２Ｓ薄膜在２００～３００℃氮气保护下烧结处理，在ＴｉＯ２纳米薄膜表面得到图案完整、边界清晰、结构致密的图案化纳米Ｃｕ２Ｓ薄膜。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：贾均红，卢永娟，
申请(专利权)人：中国科学院兰州化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：62
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