[发明专利]一种沿一维链状带方向择优生长的硫化锑薄膜及其制备方法

说明书

本发明公开沿一维链状带方向择优生长的硫化锑薄膜及其制备方法。本发明在等离子发生器的电场作用下，惰性气体，如氩气经过电场作用后等离子化获得高活性的氩离子和电子；高活性氩离子和电子相互碰撞回归基态，释放能量使得环境温度升高，升高的环境温度可以促进硫源熔化从而生成硫蒸气，硫蒸气在电场及高活性氩离子碰撞的作用下被等离子化；同时高活性氩离子、电子等粒子不断与硫源表面碰撞，硫源直接等离子化。两种路径下，等离子化硫不断增加，并与氩的各种粒子组合形成等离子态硫气氛。等离子态硫气氛通过热运动扩散到金属锑薄膜表面，并在加热的条件下与金属锑薄膜实现反应，从而获得到沿221、211和/或151晶面方向择优生长的硫化锑薄膜。

技术领域

本发明涉及一种沿一维链状带方向择优生长的硫化锑薄膜及其制备方法，属于光电功能材料技术领域。

背景技术

硫化锑的晶体结构属于正交晶系辉锑矿结构，属于Pnma(#62)空间组，是一种绿色无毒，储量丰富(锑在地壳中丰度为0.2ppm)，价格低廉的材料。Sb₂S₃的组成和物相都比较简单，在常温下只有一种物相组成，可有效避免制备过程中杂相生成的问题。

硫化锑(Sb₂S₃)有着合适的禁带宽度(1.7-1.8eV)，大的吸光系数(短波吸光系数10⁵cm^-1)，大的相对介电常数(为9.5，大于CdTe的7.1)，是一种很有潜力的薄膜光伏吸收层材料、光催化材料及电催化材料。硫化锑也是特殊的一维带状材料，因此其各个方向上的载流子迁移率有显著的区别，而迁移率又决定着载流子扩散长度从而影响电流密度。太阳能电池效率 N＝V_oc*J_sc*FF，其中Jsc即为电流密度，V_oc为开路电压，FF为填充因子，它们是影响电池转换效率的重要因素。而迁移率影响的就是公式里的电流密度J_sc。

从硫化锑作为吸收层的薄膜太阳电池研究过程来看，影响电池效率的因素主要有以下几个方面：电子传输层与吸收层间的接触问题，空穴传输层与吸收层间的接触问题，吸收层本身的缺陷问题(如深能级缺陷)等。通过表面处理可改善接触问题，效率有一定提升，然而硫化锑薄膜太阳电池最高效率依然只有7.5％。然而，根据理论计算1.7ev的禁带宽度的硫化锑材料理论效率可以达到28％，可见效率的提升空间还很大。由此可推断，既然层间接触问题不是限制光电转换效率的关键因素，那么作为吸收层的硫化锑薄膜本身的缺陷就应该是改善这类电池光电转换效率的限制环节。对文献中水浴法、电化学沉积法、真空热蒸发法等方法制备的一系列硫化锑薄膜的XRD衍射峰进行研究发现，这些方法制备的硫化锑薄膜大多是沿着020、130、310等晶面择优生长，而硫化锑晶体为正交晶系，属于Pnma(#62)空间组，沿001方向生长的一维带状结构。沿001和相近方向的载流子传输能力远高于xx0 方向的载流子传输能力。所以020、130、310晶面会抑制载流子的传输，间接增加载流子复合，减小开路电压和短路电流，从而影响效率。

发明内容