[发明专利]一种使用溶胶-凝胶旋涂法制备致密CuO薄膜的方法

说明书

本发明公开了一种使用溶胶‑凝胶旋涂法制备致密CuO薄膜的方法，所述方法包括以下步骤：配置Cu²⁺的前驱体溶液，并在溶液中引入Cl^‑，得到混合溶液的溶胶体系；在匀胶机上进行旋涂制膜，将样品热解，至少重复一次旋涂与热解过程，得到预制薄膜；将预制薄膜进行热处理，得到CuO薄膜。通过本发明所述方法制备的CuO薄膜具有致密的微观组织结构、良好的结晶状态和较为平整的表面形貌，满足了该薄膜用于薄膜太阳能电池吸收层材料时的应用。

技术领域

本发明涉及一种使用溶胶-凝胶旋涂法制备致密CuO薄膜的方法。

背景技术

溶胶-凝胶法因其简单易操作、反应条件简单、制备纯度高、反应均匀、可大面积制备样品以及易于控制成品的组分与微观结构等一系列优点而为人们所关注，在制备薄膜方面获得重要应用。溶胶-凝胶法也有一定的缺陷，溶胶大多为有机溶剂或含有机物，在干燥、热解过程中将会逸出许多气体，很容易造成薄膜的破裂。因此，基于溶胶-凝胶法制备的薄膜往往具有较多的孔隙缺陷，且其中晶粒通常为几纳米至几十纳米的小颗粒。

CuO是一种成本较为低廉的窄禁带半导体材料，其带隙宽度通常在1.2eV至1.9eV范围，该带隙范围恰能与照射到地面的太阳光谱相匹配，因此其可用作太阳光吸收材料而用于太阳能电池、光催化、光解水等领域。当CuO薄膜用于薄膜太阳能电池吸收层材料时，通常需要其具有致密、平整的组织结构。但以往基于溶胶-凝胶法制备的CuO薄膜通常存在大量的不规则孔隙缺陷，或者表面粗糙度很大，从而限制了基于溶胶-凝胶法制备的此类材料作为薄膜太阳能电池吸收层材料的应用。

在以往文献中基于一些软化化学方法制备CuO薄膜的过程中在一定程度上引入了Cl元素，但最终制备的CuO薄膜并不致密、平整，其中最主要的原因是这些研究并没有意识到可利用CuCl₂作为中间相助熔，以使制备的CuO薄膜具有良好的生长状态。例如，在关于Cd掺杂CuO薄膜的溶胶-凝胶法制备过程中[R.G.Kadhim,B.R.S.Kzar,Effect of Cd dopingon structural and some optical studies of nano CuO films prepared by sol–geltechnique,World Scientific News 64(2017)69-83.]，尽管在配制前驱体溶液时采用的原材料中有CuCl₂，但由于其采用的络合剂是丙三醇，而丙三醇的分解温度是290℃，尽管最终制备的薄膜经过了500℃高温的热处理，但丙三醇如此高的热解温度还是影响了所制备的生长状态，制备的薄膜表面明显极为粗糙、不够致密平整，晶粒尺寸也不够大。此外，还有大量喷雾热解法制备CuO薄膜的报道，其中也采用了CuCl₂作为原材料，但由于热处理温度都较低，都基本是低于350℃，因此制备的CuO薄膜都是较为疏松的，且颗粒细小、粗糙度较大。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，而研究设计一种使用溶胶-凝胶旋涂法制备致密CuO薄膜的方法，来解决传统方法生产的CuO薄膜较为疏松、颗粒细小、粗糙度较大的缺点。本发明采用的技术手段如下：

一种使用溶胶-凝胶旋涂法制备致密CuO薄膜的方法，包括以下步骤：

S1、配制含有Cu²⁺和Cl^-的前驱体溶液，将前驱体溶液在45-90℃恒温装状态下搅拌，过滤后静置陈化，得到溶胶体系；

S2、使用步骤S1制得的溶胶体系旋涂制膜，并进行热解，至少重复一次上述旋涂与热解过程，得到预制薄膜；

S3、将预制薄膜进行热处理，热处理温度不低于400℃，得到CuO薄膜。

进一步地，步骤S1中，Cu²⁺的来源为含有铜元素的盐，Cl^-的来源为含有氯元素的盐或酸，将前驱体溶液在60℃水浴锅中搅拌3h，过滤后静置陈化，得到溶胶体系。