[发明专利]一种可调带隙铜锌锡硫半导体薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光电材料技术领域，涉及一种可调带隙铜锌锡硫半导体薄膜及其制备方法。

背景技术

随着煤炭、石油和天然气等非可再生资源日益枯竭和环境污染的加剧，人类把目光转向新能源，尤其是可再生新能源。太阳能作为一种可再生资源，不会改变地球的热平衡和生态系统，具有取之不尽、使用安全、资源广泛和充足、寿命长以及免维护性等特点。在太阳能的有效利用中，光伏发电是近些年来发展最快、最具活力的研究领域，得到各国政府的重视和大力支持。太阳能的大规模利用主要面临提高光伏电池的效率和降低成本的挑战。在提高效率的同时，把太阳电池薄膜化以减少高质量材料的使用以降低成本，是太阳电池发展的重要方向。目前，非晶硅和多晶硅太阳电池就是薄膜电池的典型代表，多晶硅太阳电池可降低成本，但效率大大低于单晶硅电池；非晶硅太阳电池所存在的Staebler-Wronski效应，使得光电效率会随着光照时间的延续而衰减，直接影响了实际应用。此外，人们还开发出了GaAs、CdTe和CuInGaSe(CIGS)的薄膜太阳电池，虽然这三种电池具有较高效率，由于镉和砷有剧毒，会对环境造成严重的污染，而In元素天然蕴藏量相当有限，价格非常昂贵，因此这些电池均不是硅太阳能电池理想的替代品。因此，探索和研究出更加高效、环保和低成本的薄膜材料作为太阳电池的吸收层具有非常重要的意义。

令人欣喜的是，通过对CIGS中的部分元素的取代，可制备出Cu₂ZnSnS₄半导体材料。铜锌锡硫是一种p型半导体材料，禁带宽度在1.32～1.85eV之间,带边吸收系数高于10⁴cm^-1，载流子浓度大约10¹⁷cm^-3，很适合用作太阳能电池的吸收层，可调的禁带宽度为太阳能电池最佳带隙的优化提供了可能。理论计算表明，铜锌锡硫薄膜电池的最高转换效率可达32.2%，具有很大的发展前景。该种材料是由地壳中存量比较丰富的Cu、Zn、Sn和S四种元素组成，制作价格低廉，且无毒负作用，是一种环境友好型材料，被认为是最具潜力的低成本环保型薄膜太阳能电池的吸收材料之一，引起了广泛的关注。

目前，铜锌锡硫薄膜的制备方法有很多，例如电化学法、溶胶-凝胶法、气相输运法、电子束蒸发法，磁控溅射法等。同这些方法相比，真空加热蒸发法易于薄膜的大面积制备，易于控制其均匀性和金属膜的厚度，易于进行工业化大生产等优点，引起人们的关注，然而相关的研究比较少。CN101800263A公开了利用热蒸发，把金属锌、锡和铜放在同一个钼舟中蒸发，获得Cu/Sn/Zn金属层，然后进行硫化，获得铜锌锡硫薄膜。然而该方法对金属蒸发的顺序不可调，不能对锌、锡和铜中的一种进行两次或三次蒸发以优化薄膜的结晶质量和结构特性，对前躯体薄膜的硫化也都存在不足，难以获得高质量可控帯隙的铜锌锡硫薄膜。铜锌锡硫薄膜为多元化合物，其光电性能对原子配比及其晶格匹配不当而产生的结构缺陷十分敏感，且大大影响其效率的提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可调带隙铜锌锡硫半导体薄膜及其制备方法。

本发明的所采用的技术方案：

一种可调带隙铜锌锡硫半导体薄膜，其组成式为：Cu_aZn_bSn_cS₄，式中，1≤a≤3，0.3≤b≤2，0.2≤c≤2。

优选的，可调带隙铜锌锡硫半导体薄膜，其组成式为：Cu_aZn_bSn_cS₄，式中，2≤a≤2.5，0.7≤b≤1.5，0.5≤c≤1.3。

优选的，该薄膜厚度为600nm～5μm。

上述可调带隙铜锌锡硫半导体薄膜的制备方法，包括如下步骤：

1)  清洗衬底基片；

2)  将金属铜、锌和锡分别放在不同的钨舟或钼舟中，按顺序进行真空热蒸发，将金属沉积到衬底基片上，得层状的金属薄膜前驱体；

3)  将层状的金属薄膜前驱体与硫粉置于真空条件下，升温至硫化温度进行硫化，得可调带隙铜锌锡硫半导体薄膜。

优选的，硫化温度为200～430℃。

优选的，硫化时间为2～3 h。

优选的，采用载玻片作衬底基片。

优选的，清洗衬底基片，包括如下步骤：

1)  在1号清洗液中超声波清洗衬底基片；

2)  用去离子水清洗衬底基片；