[发明专利]改进的电化学沉积工艺制备单一c轴取向氧化锌薄膜方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种单一c轴取向的ZnO薄膜的制备方法，更确切地说，涉及一种利用改进的阴极电化学沉积方法制备单一c轴取向ZnO薄膜的方法。所制备的氧化锌薄膜可应用于薄膜太阳能电池的窗口层、紫外光探测器、压电传感器、气敏传感器等多种光电器件，属于半导体光电材料和纳米能源材料领域。

背景技术

ZnO是一种非常重要的II-VI族化合物半导体材料，其禁带宽度3.37eV，激子结合能高达60meV，是一种优异的蓝紫、紫外半导体发光材料，可望在短波长光电器件(如紫外发光二极管、紫外半导体激光器)等领域得到广泛应用；同时ZnO还具有压电、气敏、光敏等特性，在压电换能器、声表面波器件(SAW)、半导体气敏传感器、紫外光探测器、光催化以及太阳能光电转换等领域均有广泛应用。尤其是在光伏器件中，未掺杂的ZnO能取代CdS作为Cu(In，Ga)Se₂(CIGS)薄膜太阳能电池的窗口层材料；掺杂的n型导电ZnO能取代ITO用作CIGS太阳能电池或非晶硅太阳能电池的透明导电电极材料；同时ZnO也是极具潜力的染料敏化纳米太阳能电池(DSSC)的光阳极材料。

多种方法可用于制备ZnO薄膜，如反应蒸发、溅射、脉冲激光沉积(PulseLaser Deposition)、溶胶凝胶过程(SOL-GEL)、化学气相沉积(Chemical VaporDeposition)、喷雾热分解、化学浴沉积(Chemical Bath Deposition)、连续离子层吸附与反应法(Successive Ionic Layer Adsorption and Reaction)、电化学沉积(Electrodeposition)等。其中，电化学沉积方法具有若干其他方法无法比拟的优点，如，能通过改变沉积条件，精确控制薄膜的厚度和形貌，易于大面积成膜，沉积速度快，沉积温度低(一般小于80℃)，设备简单，成本低廉，等等，因此近年来逐渐引起人们的关注。

ZnO薄膜的电化学沉积属于阴极电沉积，通常采用两种模式：恒电位沉积和恒电流沉积。电沉积过程中，电流密度是影响电极表面电化学反应的决定性因素。因此，理论上恒电流沉积能更有效地控制沉积过程和沉积速率。然而，迄今为止，有关ZnO薄膜的恒电流沉积报道甚少，使用单一的恒电流沉积方法尚无法实现对薄膜生长初期成核密度的控制，因此很难获得致密的或具有较高结晶质量的ZnO薄膜。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种采用成本低廉、操作简便的阴极电沉积方法，在透明导电衬底或其它导电衬底上制备单一c轴取向的高质量氧化锌薄膜。

也即在本发明中，发明人采取对衬底进行短时间的电化学预处理的手段，显著提高了电沉积ZnO薄膜的质量，由此得到了一种电化学预处理与恒电流沉积相结合、生长高度垂直取向、均匀致密ZnO薄膜的方法。

本发明提供的单一c轴取向ZnO薄膜的制备工艺步骤是：

1、电沉积前驱液的制备。称量一定量的硝酸锌、或硝酸锌-硝酸钠、或氯化锌-硝酸钠混合粉末，将其溶解于去离子水形成澄清、透明的溶液。通过控制原料中硝酸锌与硝酸钠的相对比例，或氯化锌与硝酸钠的相对比例，调整前驱体溶液中硝酸根离子与锌离子的摩尔比。前驱体中锌离子浓度范围为0.001-1mol/L，硝酸根离子与锌离子的摩尔浓度比范围为0.01-100。

2、衬底准备。衬底类型可为透明导电玻璃(如锡掺杂氧化铟薄膜ITO、或氟掺杂氧化锡薄膜FTO)、或任何可经受100℃以下温度的无机或有机导电材料，如低阻单晶硅、金属锌片、铜片等。对于玻璃衬底(如ITO、FTO导电玻璃)，采用以下程序清洗：(1)在洗洁精溶液中超声洗涤3-5min，再在去离子水超声清洗；(2)取出后依次在丙酮、乙醇溶液中超声清洗3-5min，再用去离子水冲洗。(3)将清洗好的ITO或FTO导电衬底浸入稀盐酸(～5％Vol％)中腐蚀5-60s，取出后用去离子水彻底冲洗，吹干备用。其他衬底的预处理方法可参考相关专利或文献。

3、薄膜生长。具体分为如下四步：

a.将处理好的衬底连入电化学沉积系统。

电化学沉积系统主要由电源、计算机辅助控制系统、水浴及温度控制系统、电化学沉积系统四部分构成，其详细结构参见附图1。

可采用电化学工作站9作为电源，输出恒定电流或电压。

通过计算机辅助控制系统10(包括普通台式计算机和控制软件)与电化学工作站相连接，对电沉积过程中的电流、电位、电量等进行实时监控。