[发明专利]一种过渡族元素单掺杂的CZTS薄膜及其制备方法

权利要求书

1.一种过渡族元素单掺杂的CZTS薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)制备前驱体：以乙酸铜、乙酸锌、四氯化锡、硫脲为CZTS的制备原料，原料摩尔比为乙酸铜:乙酸锌:四氯化锡:硫脲＝(7-8):(4-5):(3-4):(28-32)，以过渡族元素的乙酸盐为掺杂源，所述的过渡族元素包括Ni、Fe、Ti、Mn、Cr元素；掺杂元素的离子在前驱体中的含量以Zn²⁺的摩尔百分比计，为Zn²⁺含量的1-7％，以乙二醇甲醚为溶剂，乙酸锌和乙二醇甲醚的质量体积比为2.75g:(15-17)mL，所有物料进行混合，55-60℃加热搅拌1-1.5h，制得单掺杂CZTS前驱体，随后室温下陈化3-15天；

2)获取上清液：将陈化后的前驱体以4800-5000rpm的转速离心10-20min，取其上清液，上清液在室温下静置24-48h备用；

3)衬底清洗：使用无水乙醇超声清洗基片，更换无水乙醇后进行二次清洗，基片取出后使用高压氮气吹干备用；

4)旋涂薄膜：将清洗吹干的基片固定好之后，向基片滴加上清液，使上清液均匀布满基片表面，随后旋涂制成厚度可控、结构均匀、表面形貌均一的薄膜；旋涂过程中，具体旋涂参数为：过渡族元素离子含量为大于等于1％、小于等于5％Zn²⁺含量的CZTS前驱体上清液使用旋涂参数为，先低速500-600rpm旋涂15-20s，后高速3000-3300rpm旋涂30-35s，过渡族元素离子含量大于5％、小于等于7％Zn²⁺含量的CZTS前驱体上清液使用旋涂参数为，先低速500-600rpm旋涂15-20s，后高速3400-3700rpm旋涂30-35s；

5)热处理：向具有高纯氮气或高纯氩气的热处理设备内通入保护气，控制气体流量保持在50-60mL·min^-1，当具有保护气氛的热处理设备温度上升至150-155℃并在此温度下保温40-60min后，将布满上清液的薄膜放入具有保护气氛的热处理设备进行热处理，步骤4)中的旋涂结束与步骤5)中的将薄膜放入管式炉之间的时间间隔不超过5min，热处理分为低温、高温两个连续的阶段，低温150-250℃范围内，低温保温总时长为150-250min，高温300-350℃范围内，高温保温总时长为60-80min；热处理结束后自然降至室温，关闭保护气体通入阀，得到过渡族元素单掺杂的CZTS薄膜；

所述薄膜的主晶相化学成分为Cu₂Zn_1-xN_xSnS₄，N代表掺杂元素Ni、Fe、Ti、Mn或Cr，其中离子个数比为Cu:(Zn+N):Sn:S＝2:1:1:4，表示一个CZTS晶胞中掺杂的过渡族元素的离子个数与锌离子个数比。

2.根据权利要求1所述的一种过渡族元素单掺杂的CZTS薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中，所述基片的材质包括钠钙玻璃、FTO玻璃，尺寸为1.5cm×1.5cm～5cm×5cm；使用无水乙醇超声清洗基片第一次用时3-5min，第二次清洗用时2-4min。