[发明专利]太阳能电池窗口层ZnO纳米阵列的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及利用磁控溅射法制备ZnO晶种、利用水热法生长ZnO纳米阵列的制备方法，生长出来的ZnO纳米阵列可作为SnS太阳能电池的窗口层。属太阳能电池无机薄膜元件制备工艺技术领域。

背景技术

氧化锌( ZnO )是一种Ⅱ-Ⅵ族宽禁带氧化物半导体材料，其带宽约为3. 37 eV，呈现良好的n型半导体性能，具有很好的光电性质。ZnO具有制备成本低、生长温度低的特点，有利于降低设备成本，抑制固相外扩散，提高薄膜质量，也易于实现掺杂。同时，ZnO薄膜的原料丰富、无毒、对环境没有污染，是一种环保型材料，基于这些优良性能，ZnO可用作太阳能电池的窗口材料。

硫化亚锡(SnS)是一种棕黑色Ⅳ-Ⅵ族层状结构化合物半导体材料，其导电类型通常是p型。SnS 属于正交晶系，其光学直接禁带宽度为1.32 eV，非常接近太阳能电池的最佳禁带宽度1.5 eV。SnS 对可见光的吸收系数很大(α> 10⁴ cm^-1)，其理论光电转换效率高达25%。SnS用作太阳能电池的吸收层材料时消耗少且构成SnS的元素S和Sn在地球上储量丰富，有很好的环境相容性。SnS是一种高效、廉价、无毒、环保型的新型光电转换材料，因此，基于SnS材料的pn结的制备对研制和开发新型环保的太阳能电池有重要的意义。

ZnO纳米阵列具有宽禁带、高透过率及良好的电学性能，适合作为SnS的窗口层，能与SnS形成pn结，制备出太阳能电池。

目前，ZnO纳米阵列的制备方法有热蒸发法、化学气相沉积法(CVD)、磁控溅射法、水热法等。迄今为止还没有文献记载用ZnO纳米阵列作为SnS太阳能电池窗口层。

水热法生长ZnO纳米阵列的原理如下：

六亚甲基四胺溶于水发生水解反应：

（CH₂）₆N₄ +6H₂O→6HCHO+4NH₃         （1）

    NH₃+H₂O?NH₄⁺+OH^-                    （2）

Zn(NO₃)₂发生电离：

    Zn(NO₃)₂→Zn²⁺+2NO^3-                    （3）

Zn²⁺与（CH₂）₆N₄ 水解出来的OH^-发生反应：

Zn²⁺ +2OH^-?Zn(OH)₂                     （4）

在水热条件下，Zn(OH)₂发生缩聚反应：

Zn (OH) ₂ = Zn^2 + + 2OH ^- (溶解)            （5）

Zn^2 + + 2OH^- = ZnO + H₂O (结晶)           （6）

在溶解过程中，微粒的团聚和连接在反应初期遭到破坏，微粒自身在水溶液中溶解，前驱体微粒以离子或离子团形式进入溶液。随着反应时间的继续,体系中前驱体微粒的离子或离子团浓度增加，当其大于形成ZnO晶粒所需要的过饱和度时，ZnO 晶粒的成核和生长随之开始，也就是结晶过程的开始。要形成阵列结构，仅仅开始成核和生长是不够的,更为重要的是要使其具有定向生长的趋势。因此，可以总结出形成阵列结构的条件包括均相成核和一维生长。一方面，ZnO晶粒生长仅仅发生在顶部，侧面上基本不生长。为此，必须降低溶液的过饱和度，只有当过饱和度低于形成块状晶体所要求的过饱和度时,才有可能形成阵列结构。另一方面，在水热法生长ZnO 阵列之前，需要对基底做一定的处理,使其表面覆盖一层ZnO 薄膜，作为晶种，诱导ZnO 朝一个方向生长。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于太阳能电池窗口层ZnO纳米阵列的制备方法。