一種In摻雜硫化鋅薄膜及其製備方法和應用的製作方法
2023-07-14 13:38:41 2
一種In摻雜硫化鋅薄膜及其製備方法和應用的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種In摻雜硫化鋅薄膜及其製備方法和應用，採用化學浴沉積法製備薄膜，屬於非真空化學氣相沉積，該方法薄膜成份容易控制、製備成本低、適合進行大規模生產。本發明利用摻入雜質的辦法來降低硫化鋅薄膜的電阻率，測試表明：當在ZnS中摻雜2at.%的In時，薄膜的雜質相少、光學透過率高（可見光區的光學透過率約為85%）、電阻率低（2.6×105Ωcm）。所製得的ZnS薄膜適用於作為太陽電池的緩衝層材料。
【專利說明】ー種In摻雜硫化鋅薄膜及其製備方法和應用
【技術領域】
[0001]本發明屬於材料製備領域，具體涉及ー種適用於作為太陽電池的緩衝層材料摻雜硫化鋅薄膜及其製備方法。
【背景技術】
[0002]在薄膜太陽電池的典型結構中常會引入一個緩衝層以提高太陽電池的器件轉換效率。CdS與CdSe是薄膜太陽電池中應用最為廣泛的緩衝層材料。但由於Cd具有毒性，對環境的危害較大，回收電池後處理比較困難。同時還存在著能帶間隙偏窄、不允許516 nm以下的太陽光透過它並進入吸收層等問題，使含Cd的光伏組件產品出現了較大的市場問題。近年來，對緩衝層材料的研究主要集中在製備無鎘緩衝層材料方向。其中尤以ZnS的性能表現最為優異。
[0003]ZnS是ー種典型的I1- VI族寬帶隙半導體材料。室溫條件下，ZnS的帶寬約為3.75eV,比CdS在室溫條件下的禁帶寬度(2.4 eV)更寬，這ー特性有助於提高電池的轉換效率。另外，ZnS薄膜材料附著力好、薄膜表面連續緻密，具有良好的光學透過率，並具有較高的熔點。
[0004]但由於本徵ZnS薄膜電阻率較高(約為IO7-1O8 Q cm),不利於提高薄膜太陽電池的轉換效率。所以針對這個問題，我們的研究採用了 In摻雜的方法來降低其電阻率，這是我們的發明構思和理念，也是本發明的關鍵所在。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在於提供ー種In摻雜硫化鋅薄膜及其製備方法和應用，採用化學浴沉積法製備薄膜，薄膜成份容易控制、製備成本低、適合進行大規模生產。本發明利用摻入雜質的辦法來降低硫化鋅薄膜的電阻率，所製得的ZnS薄膜適用於作為太陽電池的緩衝層材料。
[0006]為實現上述目的，本發明採用如下技術方案:
ー種In摻雜ZnS薄膜的製備方法包括以下步驟:
(1)利用化學浴沉積法來製備薄膜，以醋酸鋅為鋅源、硫代こ醯胺為硫源、檸檬酸鈉為絡合劑，利用醋酸與醋酸鋅配合作為緩衝液控制溶液的PH值；
(2)以硫酸銦作為摻雜源對薄膜進行摻雜處理，In元素的摻雜量為ZnS的0at.% -4
at.% ；
(3)將沉積製得的In摻雜ZnS薄膜在N2氣氛中進行退火處理，退火處理的溫度為350°C，退火處理的時間為1.5 h，冷卻至室溫，製得的薄膜應用於薄膜太陽電池的緩衝層材料。
[0007]本發明的顯著優點在幹:採用化學浴沉積法製備薄膜，薄膜成份容易控制、製備成本低、適合進行大規模生產。本發明利用摻入雜質的辦法來降低硫化鋅薄膜的電阻率，所製得的ZnS薄膜適用於作為太陽電池的緩衝層材料。【專利附圖】
【附圖說明】
[0008]圖1是不同In摻雜濃度下製備的In摻雜ZnS薄膜的XRD譜。
[0009]圖2是不同In摻雜濃度下製備的In摻雜ZnS薄膜的掃描電鏡圖。
[0010]圖3是不同In摻雜濃度下製備的In摻雜ZnS薄膜的透射光譜。
[0011]圖4是不同In摻雜濃度下製備的In摻雜ZnS薄膜的電阻率變化圖。
【具體實施方式】
[0012]實施例1
取15ml濃度為0.4mol/L的醋酸鋅，15ml濃度為0.lmol/L的檸檬酸鈉，按摻雜量為Oat.%、0.5 at.%、I at.%、2 at.%、3 at.%、4 at.% 的硫酸銦作為摻雜源。加入 87.5ml 的去離子水，混合均勻。向溶液中滴加醋酸調節溶液pH值為4.0。
[0013]將溶液放置於水浴鍋內進行水浴加熱。待溶液溫度達到85°C後，向溶液內添加15ml濃度為0.4mol/L的硫代乙醯胺。以添加硫代乙醯胺的時間為起點，以85°C的水浴溫度反應1.5h。
[0014]將沉積製得的In摻雜ZnS薄膜在N2氣氛中進行退火處理，退火處理的溫度為350°C，退火處理的時間為1.5 h，冷卻至室溫。
[0015]In摻雜ZnS薄膜的物相分析。
[0016]圖1是不同In摻雜濃度條件下所製備的ZnS:1n薄膜的XRD譜，其中In的摻雜量從O at.%變化至4 at.%。由圖1可見，非摻雜樣品表現出位於29.1°、48.9° ,58.0°的(111)、(220)、(311)面的衍射峰，且以(111)面為其擇優生長取向面，屬於立方晶相的ZnS，對應於XRD標準卡號01-080-0020。另外，ZnS:1n樣品的XRD譜與非摻雜樣品相似，也是屬於立方晶相ZnS。且並沒有表現出與摻雜元素In相關的化合物或單質相的衍射峰。這是由於摻雜量較小，因此摻雜元素並不會顯著影響ZnS的基本結構。
[0017]In摻雜ZnS薄膜的表面形貌分析。
[0018]圖2是不同In摻雜濃度條件下製備的ZnS:1n薄膜的掃描電鏡圖。由圖可見，非摻雜ZnS薄膜表面顆粒形狀與大小均勻，但是卻有明顯的裂紋與孔隙。少量In摻雜的ZnS薄膜表面的團聚物尺寸減小，但其表面卻表現出了更多的裂紋且孔隙面積及數量也有所增多。然而，若對樣品進行適量的摻雜處理(摻雜量為2 at.%)，可使薄膜表面連續緻密，基本無法觀察到孔隙與裂紋。而連續緻密的表面形貌對降低薄膜電阻率很有幫助。
[0019]In摻雜ZnS薄膜的光學性能。
[0020]作為薄膜太陽電池的緩衝層材料，薄膜的光學性能是非常重要的。緩衝層材料需要有較大的禁帶寬度和較高的光學透過率，使更多的光可以進行吸收層中並被吸收，才能有助於提高太陽電池的轉換效率。圖3是不同In摻雜濃度下製備的ZnS:1n薄膜的透射光譜。由圖可見，ZnS:1n薄膜在可見光區和近紅外光區的光學透過率高，且各個樣品的吸收邊明顯且銳利。其中，尤以In摻雜量為2 at.%的樣品光學性能最優(可見光區和近紅外光學的光學透過率約為85%)，適宜應用在薄膜太陽電池中作為緩衝層材料。這是由於In原子的原子半徑與Zn原子半徑比較接近，因此由In摻雜所導致的晶格畸變較小，晶格缺陷較小，散射中心較少。另外，表I所列是不同摻雜濃度的ZnS=In薄膜的禁帶寬度值。由表可見，各個ZnS:1n薄膜的禁帶寬度均小於非摻雜的ZnS薄膜。然而隨著In摻雜量的增加，樣品的禁帶寬度又有所增加。引起禁帶寬度變化的主要原因包括兩個方面:分別是由布爾斯坦-莫斯效應引起的禁帶展寬和由多體效應引起的帶隙變窄。
[0021]In摻雜ZnS薄膜的電學性能。
[0022]圖4是不同In摻雜濃度下製備的ZnS薄膜的電阻率變化圖，具體電阻率值列於表
I。由圖可見，摻雜樣品的薄膜電阻率均明顯低於非摻雜ZnS薄膜。試驗說明，In摻雜能有效降低薄膜電阻率。這主要是由於摻雜元素In是3價金屬元素，摻入In後能為樣品提供額外的載流子。其中，以In摻雜量為0.5 at.%的樣品薄膜電阻率值最低，達到1.5 E4 Ω cm。然而，繼續升高摻雜濃度，薄膜電阻率又有所上升，且穩定在約2.2 Ε5Ω cm處，適宜應用在薄膜太陽電池中作為緩衝層材料。這可能是由於較高的摻雜濃度容易在晶界上形成雜質相而造成晶界勢全的提1?，最終表現為薄I旲電阻率的提1?。
[0023]表1不同摻雜濃度的ZnS:1n薄膜的禁帶寬度值與電阻率值
【權利要求】
1.一種In摻雜ZnS薄膜的製備方法，其特徵在於:包括以下步驟: (1)利用化學浴沉積法來製備薄膜，以醋酸鋅為鋅源、硫代乙醯胺為硫源、檸檬酸鈉為絡合劑，利用醋酸與醋酸鋅配合作為緩衝液控制溶液的PH值； (2)以硫酸銦作為摻雜源對薄膜進行摻雜處理，In元素的摻雜量為ZnS的Oat.% -4at.% ； (3)將沉積製得的In摻雜ZnS薄膜在N2氣氛中進行退火處理，退火處理的溫度為350°C，退火處理的時間為1.5 h，冷卻至室溫。
2.根據權利要求1所述的In摻雜ZnS薄膜的製備方法，其特徵在於:所述In元素的摻雜量為ZnS的2 at.%。
3.—種如權利要求1所述的方法製得的In摻雜ZnS薄膜。
4.一種如權利要求1所述的方法製得的In摻雜ZnS薄膜應用於薄膜太陽電池的緩衝層材料。
【文檔編號】H01L31/0296GK103531660SQ201310486713
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月17日 優先權日:2013年10月17日
【發明者】程樹英, 廖潔, 周海芳, 賴雲鋒, 俞金玲, 龍博, 賈宏傑, 張紅 申請人:福州大學