[发明专利]一种用于制备铜铟硒纳米薄膜材料的旋涂法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种制备铜铟硒纳米薄膜材料的工艺流程。

背景技术：

铜铟硒(CuInSe₂，简称CIS)薄膜太阳能电池是在玻璃基底上沉积一定厚度的化合物半导体薄膜，它具有性能稳定不衰退、抗辐射能力强、在阴雨天气下发出电量高等特点，在阳光下其光电转换效率目前是各种薄膜太阳电池之首，另外CIS电池具有柔和、轻便等特点，是最有前途的新一代太阳能电池之一。文献中已记载制备CIS薄膜的方法主要有：(1)硒化法，(2)叠层法，(3)双源(三源)蒸发法，(4)溅射法，(5)沉积法，(6)喷涂法，(7)旋涂法，(8)真空加热合成法等。其中旋涂(spin-coating)法是发展最早，应用最广的制膜方法之一，其方法简便、成本低廉，适合于大面积的薄膜制备，在纳米材料、有机无机杂化材料、高分子材料等薄膜制备中被大量应用，它的制备与材料的体系关系很大，受到溶剂的性质、溶液的浓度、旋涂转速/时间、退火温度等诸多因素影响，找出适合于本体系的最优化成膜条件，是成膜质量的关键。

发明内容：

本发明的目的是采用旋转涂布法制造工艺制备颗粒均匀、表面清晰、质量较高的纳米CIS半导体膜。

本发明是以表面活性剂辅助的高能球磨法制备的纳米CIS材料为原料，筛选出最优化的旋转涂布条件，制备高质量的纳米薄膜。

本发明采用旋涂法制备本体系纳米CIS薄膜材料，选择N，N-二甲基甲酰胺(DMF)为分散溶剂。

本发明选择N，N-二甲基甲酰胺(DMF)为分散溶剂，采用旋涂法制备纳米CIS薄膜材料过程中，优选参数为：旋浮液浓度0.6mmol/L；低/高阶段旋涂转速与时间分别是500rpm/9s，5000rpm/30s；退火温度与时间为100度2小时。

旋涂法不需要高温高真空，对仪器要求低，薄膜的生产成本低，有利于实现大规模的应用化生产。

具体实施方式：

详细制备过程如下：(1)纳米铜铟硒材料的制备，使用表面活性剂辅助的高能球磨法，结合高能球磨法和表面活性剂双重优点，制备纳米CIS材料，这一成果我们已经论述在以前的专利中(专利申请号：200610082131.4)；(2)纳米CIS-DMF悬浮液的制备，利用超声波充分震荡3小时，将纳米CIS颗粒，完全分散在DMF溶剂中，配成0.6mmol/L的稀悬浮液；(3)设定旋涂仪的参数，将清洗干净的1×1cm的ITO玻璃片固定在旋涂仪上；(4)利用注射针管将悬浮液注射在玻璃基板上，低/高阶段旋涂转速与时间分别是500rpm/9s，5000rpm/30s，使旋涂液均匀铺展成薄膜，用微速的N₂气吹干；(5)退火，在烘箱中退火，使薄膜晶化，退火温度与时间为100度2小时。

纳米材料的分散溶剂对成膜质量影响较大，溶剂要求毒性低、粘度适宜、对材料分散性好、同时不与材料发生化学反应，经过实验，N，N-二甲基甲酰胺(DMF)是最佳的分散溶剂，其次为氯仿等。

悬浮液的浓度对成膜的质量影响很大，浓度太高，旋涂时液体无法有效散开，纳米颗粒易团聚，堆积在一起，使薄膜很难晶化；浓度太稀，薄膜成形后，基板上留有大量空白区域，使纳米粒子孤立化。这些都影响了薄膜自身的质量，限制了薄膜的多方面性质，通过实验总结当悬浮液的浓度为0.6mmol/L，成膜的质量最好，纳米颗粒明显，尺寸大小均一(退火以后，平均粒径50 nm左右)，颗粒排列紧密且存在生长趋向。

旋涂的时间和转速对膜的质量影响也很大，旋涂包括两个过程：低速旋转和高速旋转两个阶段，低速转动时间一般设为9秒，转速为500-1000rpm；高速旋涂时转速为5000-8000rpm，时间大致为30-50秒。合适的转速、时间分布，有利于悬浮液在基板上的铺展以及纳米粒子的分散，不易发生团聚；同时有利于薄膜表面颗粒的均匀分布，提高膜表面的质量。

退火是提高薄膜质量的关键因素，通过扫描探针显微镜(SPM)可以看出，没有旋涂的ITO玻璃表面极其光滑，旋涂纳米CIS后，ITO表面有明显的粒子存在，但没有经过退火处理的膜表面粗糙，纳米颗粒间界面模糊；100度时，1小时的退火可以使薄膜中的纳米颗粒晶化，尺寸均一化，但膜中CIS粒子刚性显得不够；2小时退火后薄膜表面更加清晰化，纳米颗粒的刚性加强，成椭球形花生米粒状，3小时的退火对薄膜形貌影响不大。相较于时间，退火温度对膜的形貌和质量影响较小，但较高温度的长时间退火，易引起膜表面的缺陷，导致膜表面不平整。所以综合实验比较分析，我们认为退火的最佳条件是100℃，2小时。