一種由升華硫粉制備銅銦硫光電薄膜的方法
【專利摘要】一種由升華硫粉制備銅銦硫光電薄膜的方法，屬于光電薄膜制備技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明通過如下步驟得到，首先清洗玻璃基片，然后將Cu(NO3)2·3H2O、In(NO3)3·4.5H2O放入溶劑中混合均勻，用旋涂法在玻璃片上得到前驅(qū)體薄膜，烘干，放入有水合聯(lián)氨的可密閉容器，使前驅(qū)體薄膜樣品不與水合聯(lián)氨接觸，并在放置前驅(qū)體薄膜樣品的支架一邊放入適量升華硫粉，然后將裝有樣品的密閉容器裝入烘箱進行加熱和保溫處理，最后取出樣品浸泡24小時后進行干燥，得到銅銦硫光電薄膜。本發(fā)明不需要高溫高真空條件，對儀器設(shè)備要求低，生產(chǎn)成本低，生產(chǎn)效率高，易于操作。
【專利說明】
一種由升華硫粉制備銅銦硫光電薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于太陽電池用光電薄膜制備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種由升華硫粉制備銅銦硫光電薄膜的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著社會和經(jīng)濟的發(fā)展，我國能源消費總量在2004年已經(jīng)位居世界第二，約占世界能源消費總量的11%，能源緊缺及消費能源帶來的污染同樣已成為國內(nèi)社會發(fā)展中的突出問題，煤炭資源、石油等能源是不可持續(xù)，因此開發(fā)利用清潔可再生能源對保護環(huán)境、經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展和構(gòu)筑和諧社會都有重要的意義。光伏發(fā)電具有安全可靠、無噪聲、無污染、制約少、故障率低、維護簡便等優(yōu)點，可以利用太陽能這種清潔、安全和環(huán)保的可再生能源，因此近幾十年來太陽電池的研究和開發(fā)日益受到重視。
[0003]銅銦硫基薄膜太陽電池目前可以認(rèn)為是最有發(fā)展前景的薄膜電池之一，這是因為其吸收層材料CuInS2具有一系列的優(yōu)點:(I) CuInS2是直接帶隙半導(dǎo)體，這可減少對少數(shù)載流子擴散的要求。(2)在室溫下CuInS2的禁帶寬度為1.50eV，是太陽電池中要求的最佳能隙，這方面優(yōu)于CuInSe2( 1.04eV)。(3)CuInS2不含任何有毒成分，而且禁帶寬度較大，有可能產(chǎn)生更高的開路電壓，從而使熱系數(shù)小，即隨著溫度升高而壓降減小。(4) CuInS2吸收系數(shù)很大，轉(zhuǎn)換效率高，性能穩(wěn)定，薄膜厚度小，約2μπι，并且硫的價格較低，大面積制備時價格較低。(5)在CuInS2基礎(chǔ)上摻雜其它元素，如使Ga或Al部分取代In原子，用Se部分取代S，即制備成Cu(Im—xGax)Se2，Cu(Im—xGax)(Se2-ySy) [ 10]，Cu(Im—XA1X) (Se2—XSX)，其晶體結(jié)構(gòu)仍然是黃銅礦。改變其中Ga/(Ga+In)等的原子比，可以使其禁帶寬度在1.04?1.72 eV之間變化，包含高效率吸收太陽光的帶隙范圍1.4?1.6eV; (6)在較寬成分范圍內(nèi)電阻率都較??；
(7)抗輻射能力強，沒有光致衰減效應(yīng)，因而使用壽命長；(8) P型CIGS材料的晶格結(jié)構(gòu)與電子親和力都能跟普通的N型窗口材料(如CdS、ZnO)匹配。
[0004]目前CuInS2的制備方法主要有溶劑熱法、噴射熱解法(SprayProlysis)、電噴射法、電沉積、化學(xué)沉積法、封閉的化學(xué)氣相輸運法、化學(xué)氣相沉積、分子束外延、反應(yīng)濺射法、真空蒸發(fā)法、有機金屬化學(xué)氣相沉積法、派射合金層-硫化法等。與CuInSe2相比，CuInS2不含任何有毒成分，而且禁帶寬度較大，有可能產(chǎn)生更高的開路電壓，從而使熱系數(shù)小，即隨著溫度升高而壓降減小。由于CuInS2原料成本低，因此是一種非常有發(fā)展前途的太陽能電池材料，但現(xiàn)有工藝路線復(fù)雜、制備成本高，因而同樣需要探索低成本的制備工藝。
[0005]如前面所述方法一樣，其它方法也有不同的缺陷。與本發(fā)明相關(guān)的還有如下文獻:
[I]Jicheng Zhou, Shaowen Li, Xiaoliang Gong, Yanlin Yang, Liang You,
Rapid preparat1n of CuInS2 microparticles via a solut1n-chemical synthesisroute and its characterizat1n, Materials Letters 65 (2011) 3465-3467.文章報道了用溶液化學(xué)法制備CuInS2,并研究了反應(yīng)溫度和時間對其性能的影響。
[0006][2]謝俊葉，李建，王延來，CuInS2薄膜的制備及光學(xué)特性，功能材料42 (2011)129-132。
[0007]主要報道了真空共蒸發(fā)法制備CuInS2薄膜，研究了不同Cu、In、S元素配比以及熱處理條件對薄膜結(jié)構(gòu)、化學(xué)計量比及光學(xué)性能的影響。
[0008][3]張冀東，CuInS2薄膜的制備及其光學(xué)性能研究，鄭州師范教育I (2012) 25-29 ο
[0009]文章采用水熱法制得CuInS2顆粒，然后旋轉(zhuǎn)涂膜制得CuInS2薄膜，并研究其光學(xué)性會K。
[0010][4]楊宇，張弓，莊大明，硫化時間對于固態(tài)硫化CuInS2薄膜性能影響，真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報 30 (2010) 236-239。
[0011]主要描述了采用中頻交流磁控濺射方法沉積Cu-1n預(yù)制膜，并采用固態(tài)源蒸發(fā)硫化方法制備CuInS2薄膜，研究了硫化時間對于CuInS2薄膜結(jié)構(gòu)、形貌以及禁帶寬度影響。
[0012][5]S.Sugan, K.Baskar, R.Dhanasekaran, Hydrothermal synthesis ofchalcopyrite CuInS2, CuInSe2 and CuInTe2 nanocubes and their characterizat1n,Current Applied Physics 14 (2014) 1416-1420。
[0013]主要采用水熱法制備黃銅礦結(jié)構(gòu)的CuInS2, CuInSe2 and CuInTe2并表征其性能。
[0014][6]M.S.Park, S.Y.Han, E.J.Bae, T.J.Lee,C.H.Chang, Synthesis andcharacterizat1n of polycrystalline CuInS2 thin films for solar cell devicesat low temperature processing condit1ns, Current Applied Physics 10 (2010)S379-S382.主要描述了用一種新穎的溶液法在低溫下制備CuInS2及其光電性能的研究。
[0015][7]R.Schurr, A.Holzing , F.Hergert, R.Hock , M.Purwins, J.Palma, The format1n of the thin-film solar cell absorber CuInS2 by annealingof Cu-1n_S stacked elemental layer precursors — A comparison of selenisat1nand sulfurisat1n.Thin Solid Films 517 (2009) 2136-2139
主要描述了用派射-硫化發(fā)制的CuInS2薄膜，并將砸化法制備CuInSe2和硫化法制備CuInS2做了對比研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，而發(fā)明了一種與現(xiàn)有技術(shù)的制備方法完全不同的，銅銦硫太陽電池用薄膜材料的制備工藝。
[0017]本發(fā)明采用旋涂-化學(xué)共還原法制備銅銦硫薄膜材料，采用鈉鈣玻璃為基片，以Cu(NO3)2.2H20, In(NO3)3.4.5H20，升華硫粉為原料，以去離子水、乙醇這兩種溶劑中的一種或者兩種的混合物為溶劑，先以旋涂法制備一定厚度的含銅銦(元素計量比為CuIn)的前驅(qū)體薄膜，以水合聯(lián)氨為還原劑，并在放置前驅(qū)體薄膜的支架一邊放入適量升華硫粉，在密閉容器內(nèi)在較低溫度下加熱，使前驅(qū)體薄膜還原并發(fā)生合成反應(yīng)得到目標(biāo)產(chǎn)物。
[0018]本發(fā)明的具體制備方法包括如下順序的步驟:
a.進行玻璃基片的清洗，是將玻璃基片大小為20_ X 20_，放入體積比濃硫酸:蒸餾水=1: 20的溶液中，煮沸30分鐘;接著將上述煮沸后玻璃片放入90°C水浴鍋中水浴I小時;再在蒸餾水中將玻璃基片用超聲振蕩30分鐘;最后將上述得到的玻璃基片排放在玻璃皿中送入烘箱中烘干供制膜用。
[0019]b.將Cu(NO3)2.2H20、In(N03)3.4.5H20放入溶劑中，使溶液中的物質(zhì)均勻混合。具體地說，可以將1.6?2.(H^Cu(NO3)2.3出0、2.5?3.1份111(勵3)3.4.5H20放入 13.0?15.0份的溶劑中，使溶液中的物質(zhì)均勻混合，其中溶劑為去離子水、乙醇中一種或兩種的混合溶液。
[0020]c.制作外部均勻涂抹步驟b所述溶液的基片，并烘干，得到前驅(qū)體薄膜樣品。可以將上述溶液滴到放置在勻膠機上的玻璃基片上，啟動勻膠機以300?2500轉(zhuǎn)/分旋轉(zhuǎn)一定時間，使滴上的溶液涂均勻后，對基片進行烘干，再次重復(fù)滴上前述溶液并旋涂后再烘干，如此重復(fù)3?5次，于是在玻璃基片上得到了一定厚度的前驅(qū)體薄膜樣品。
[0021]d.將步驟c所得前驅(qū)體薄膜樣品置于支架上，放入有水合聯(lián)氨的可密閉容器，使前驅(qū)體薄膜樣品不與水合聯(lián)氨接觸，并在支架一邊放置0.1?0.2份升化硫粉。水合聯(lián)氨放入量為4.0份。將裝有前驅(qū)薄膜樣品的密閉容器放入烘箱中，加熱至160?220°C之間，保溫時間5?40小時，然后冷卻到室溫取出。
[0022]e.將步驟d所得物在去離子水中浸泡24小時，進行常溫自然干燥后，即得到銅銦硫光電薄膜。
[0023]本發(fā)明不需要高溫高真空條件，對儀器設(shè)備要求低，生產(chǎn)成本低，生產(chǎn)效率高，易于操作。所得銅銦硫光電薄膜有較好的連續(xù)性和均勻性，主相為CuInS2相，這種新工藝容易控制目標(biāo)產(chǎn)物的成分和結(jié)構(gòu)，為制備高性能的銅銦硫光電薄膜提供了一種成本低、可實現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。
【具體實施方式】
[0024]實施例1
a.玻璃基片的清洗:如前所述進行清洗玻璃基片，大小為20mm X 20mm。
[0025]b.將 1.6?2.0份Cu(NO3)2.3H20、2.5?3.I份In(NO3)3.4.5Η20放入 13.0?15.0份的乙醇中均勻混合，利用超聲波振動30分鐘以上，使溶液中的物質(zhì)均勻混合。
[0026]c.將上述溶液滴到放置在勻膠機上的玻璃基片上，啟動勻膠機，使勻膠機以300轉(zhuǎn)/分轉(zhuǎn)動5秒，以2150轉(zhuǎn)/分旋轉(zhuǎn)15秒，使滴上的溶液涂均勻后，對基片進行烘干后，再次重復(fù)滴上前述溶液和旋涂后再烘干，如此重復(fù)3?5次，于是在玻璃基片上得到了一定厚度的前驅(qū)體薄膜樣品。
[0027]d.將上述工藝所得的前驅(qū)體薄膜樣品放入可密閉的容器，并放入4.0份水合聯(lián)氨，前驅(qū)薄膜樣品置于支架上使其不與水合聯(lián)氨接觸，并在支架一邊放置0.1?0.2份升化硫粉。將裝有前驅(qū)薄膜樣品的密閉容器放入烘箱中，加熱至160?200°C之間，保溫時間20小時，然后冷卻到室溫取出。
[0028]e.將步驟d所得物在去離子水中浸泡24小時，進行常溫自然干燥，得到銅銦硫光電薄膜。
【主權(quán)項】
1.一種由升華硫粉制備銅銦硫光電薄膜的方法，包括如下順序的步驟: a.玻璃基片的清洗； b.將1.6?2.0份Cu(NO3)2.3出0、2.5?3.1份111(勵3)3.4.5H20放入 13.0?15.0份的溶劑中，使溶液中的物質(zhì)均勻混合； c.制作外部均勻涂抹步驟b所述溶液的基片，并烘干，得到前驅(qū)體薄膜樣品； d.將步驟c所得前驅(qū)體薄膜樣品置于支架上，放入有水合聯(lián)氨的可密閉容器，使前驅(qū)體薄膜樣品不與水合聯(lián)氨接觸，并在支架一邊放入0.1?0.2份升華硫粉;將裝有前驅(qū)薄膜樣品的密閉容器放入烘箱中，加熱至160?220°C之間，保溫時間5?40小時，然后冷卻到室溫取出； e.將步驟d所得物在去離子水中浸泡24小時，然后進行常溫自然干燥，得到銅銦硫光電薄膜。2.如權(quán)利要求1所述的一種由升華硫粉制備銅銦硫光電薄膜的方法，其特征在于，步驟a所述清洗，是將玻璃基片大小為20mmX 20mm，放入體積比濃硫酸:蒸餾水=1: 20的溶液中，煮沸30分鐘;接著將上述煮沸后玻璃片放入90 0C水浴鍋中水浴I小時;再在蒸餾水中將玻璃基片用超聲振蕩30分鐘;最后將上述得到的玻璃基片排放在玻璃皿中送入烘箱中烘干供制膜用。3.如權(quán)利要求1所述的一種由升華硫粉制備銅銦硫光電薄膜的方法，其特征在于，步驟b所述的溶劑為去離子水、乙醇中至少一種。4.如權(quán)利要求1所述的一種由升華硫粉制備銅銦硫光電薄膜的方法，其特征在于，步驟c所述均勻涂抹的基片，是通過勻膠機涂抹，勻膠機以300?2500轉(zhuǎn)/分旋轉(zhuǎn)，然后對基片進行烘干后，再次如此重復(fù)3?5次，得到了一定厚度的前驅(qū)體薄膜樣品。5.如權(quán)利要求1所述的一種由升華硫粉制備銅銦硫光電薄膜的方法，其特征在于，步驟d所述密閉容器內(nèi)放入4.0份水合聯(lián)氨。
【文檔編號】H01L31/032GK106057969SQ201610418996
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月15日
【發(fā)明人】劉科高, 荊明星, 徐勇, 于劉洋, 石磊
【申請人】山東建筑大學(xué)