專利名稱：增強(qiáng)二氧化鈦薄膜光吸收的圖案化復(fù)合薄膜制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體圖案化薄膜的制備技術(shù)，特別是涉及在二氧化鈦納米薄膜表面 制備圖案化納米Cu2S薄膜，以增強(qiáng)太陽(yáng)光吸收效率的復(fù)合薄膜制備技術(shù)。
背景技術(shù)：
Cu2S作為一種ρ-型半導(dǎo)體材料，具有很好的光電性能，其禁帶寬度約1.&V。以 Cu2S為ρ-型半導(dǎo)體的p-Cu2S/n-CdS異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率可達(dá)到10%上，但 由于CdS穩(wěn)定性差、有毒、界面載流子傳遞速率較低等原因，限制了其進(jìn)一步的發(fā)展和實(shí)際 應(yīng)用。二氧化鈦是一種典型的η-型半導(dǎo)體材料，由于具有獨(dú)特的光電物理、光催化性能及 優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，在太陽(yáng)能電池、光電開(kāi)關(guān)以及光存儲(chǔ)等方面具有重要應(yīng)用，成為近年來(lái) 發(fā)展最快，最具有活力的科研領(lǐng)域之一，也是代替n-CdS制備異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池的最佳選 擇。圖案化技術(shù)對(duì)于現(xiàn)代科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展有著重要的意義。據(jù)報(bào)道，圖案化的TW2 薄膜制成太陽(yáng)能電池后，其光電轉(zhuǎn)換效率是非圖案化薄膜的10倍，這是由于界面連接的增 多導(dǎo)致表面積增大。Chen等在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)光電流，光催化行為隨著圖案尺寸的減小而增強(qiáng)， 所以光電化學(xué)性質(zhì)可以通過(guò)圖案尺寸大小來(lái)調(diào)控。目前已經(jīng)有許多關(guān)于P-CuxSAi-TW2復(fù) 合薄膜的報(bào)道，但是關(guān)于以CuxS修飾的具有圖案化微結(jié)構(gòu)的CuxS/Ti02納米復(fù)合薄膜的制 備，用以提高薄膜的太陽(yáng)光吸收效率的專利，至今還未見(jiàn)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、環(huán)境友好的增強(qiáng)二氧化鈦薄膜 光吸收性能的圖案化納米復(fù)合薄膜的制備方法。本發(fā)明以Ti (SO4) 2和H2A為前驅(qū)體溶液在玻璃基底上制備TiA納米薄膜；然后利 用紫外光刻的技術(shù)在TiO2納米薄膜表面制備圖案化的自組裝單分子膜；最后利用化學(xué)浴的 方法，以EDTA為絡(luò)合劑，CuSO4 · 5H20和Na2S2O3為前驅(qū)體溶液，選擇性的沉積Cu2S納米晶， 在T^2納米薄膜表面制備圖案完整、邊界清晰、結(jié)構(gòu)致密的圖案化納米Cu2S薄膜。一種增強(qiáng)二氧化鈦薄膜光吸收的圖案化復(fù)合薄膜制備方法，其特征在于步驟如 下DTiO2薄膜的制備將玻璃基底浸入3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTQ的無(wú)水甲醇 溶液，室溫下組裝，取出后依次用無(wú)水甲醇、二次水清洗，并用氮?dú)獯蹈?；然后取Ti(so4)2、 H2O2和水組成前驅(qū)體溶液，并調(diào)節(jié)pH值為1.6左右；然后將表面具有APTS的玻璃基底置于 此前驅(qū)體溶液中，70 80°C沉積20 60min ；2)-CH3/-NH2-SAMs圖案化表面的構(gòu)筑將步驟⑴所制的T^2納米薄膜置于 十八烷基三氯硅烷(OTS)的正己烷溶液，室溫下組裝，取出后用正己烷清洗，并用氮?dú)獯?干；然后在表面具有OTS的TiA納米薄膜上放置掩膜并紫外光照，在光照的過(guò)程中，曝光 區(qū)域的OTS SAMs變?yōu)榱u基，得到了 -0H/-CH3SAMs圖案化的表面；再將有-0H/-CH3SAMs
3圖案化的基底放入3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTS)的無(wú)水甲醇溶液中，室溫下組裝，得 到-CH3/-NH2-SAMs圖案化表面的構(gòu)筑；3) Cu2S圖案化薄膜的制備將步驟O)已圖案化SAMs的基片放入含有硫酸銅、硫 代硫酸鈉、EDTA的前驅(qū)體溶液中，調(diào)節(jié)pH值為1 3，65-75°C沉積兩次，每次0. 5 Ih ；最 后對(duì)Cu2S薄膜在200 300°C氮?dú)獗Ｗo(hù)下燒結(jié)處理，在TW2納米薄膜表面得到圖案完整、 邊界清晰、結(jié)構(gòu)致密的圖案化納米Cu2S薄膜。上述方案中以圖案化的Cu2S薄膜作為光的吸收層，TiO2為電子注入層，這種結(jié)構(gòu)能有效阻止 電子與空穴的復(fù)合；制備的納米Cu2S在單分子膜的誘導(dǎo)下選擇性的沉積在-NH2的表面，而-CH3表面 幾乎沒(méi)有沉積；制備的圖案化薄膜的成分為純Cu2S納米單晶。本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)是1)本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單，成本低廉、環(huán)境友好、易于實(shí)現(xiàn)。2)通過(guò)化學(xué)吸附在基底表面形成具有活性基團(tuán)(-NH2)的單分子膜，應(yīng)用單分子膜 降低無(wú)機(jī)成核勢(shì)壘，在較低溫度下(70°C )誘導(dǎo)成核與生長(zhǎng)。3)本發(fā)明制備的圖案化薄膜圖案完整、邊界清晰、結(jié)構(gòu)致密，具有良好的穩(wěn)定性以 及高的選擇性。4)本發(fā)明所制備的圖案化薄膜不但可有效的提高TiO2納米薄膜的光吸收強(qiáng)度，而 且擴(kuò)大了光吸收波長(zhǎng)范圍，從而進(jìn)一步增強(qiáng)薄膜的光吸收效率。在太陽(yáng)能電池、光電開(kāi)關(guān)、 光電轉(zhuǎn)換以及光存儲(chǔ)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 DTiO2薄膜的制備首先將玻璃基底浸入5mM 3_氨丙基三乙氧基硅烷(APTS)的 無(wú)水甲醇溶液，室溫下組裝3h，取出后依次用無(wú)水甲醇、二次水清洗，并用氮?dú)獯蹈桑蝗缓?取0. 06g Ti (SO4) 2、0. 058g H2O2和水組成前驅(qū)體溶液，并調(diào)節(jié)pH值為1. 6左右；然后將表 面具有APTS的玻璃基底置于此前驅(qū)體溶液中，80°C沉積20min。2)-CH3/-NH2-SAMs圖案化表面的構(gòu)筑首先將步驟(1)所制的T^2納米薄膜置 于5mM十八烷基三氯硅烷(OTS)的正己烷溶液，室溫下組裝lh，取出后用正己烷清洗，并 用氮?dú)獯蹈?。然后在表面具有OTS的TW2納米薄膜上放置掩膜并紫外光照l(shuí)Omin，在光 照的過(guò)程中，曝光區(qū)域的OTS SAMs變?yōu)榱u基，得到了 -OH/-CH3SAMs圖案化的表面；再將 有-OH/-CH3SAMs圖案化的基底放入5mM 3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTQ的無(wú)水甲醇溶液 中，室溫下組裝3h，即得到-CH3/-NH2-SAMs圖案化表面的構(gòu)筑。3) Cu2S 圖案化薄膜的制備將 0. 125g CuSO4. 5H20,0. 279g EDTA 溶解在 50mL 的水 中，形成透明澄清的溶液，滴加IM H2SO4調(diào)節(jié)pH值為2. 3，然后加入0. 124g的Naj2O3,混合 均勻后，將已圖案化SAMs的基片放入該溶液中70°C沉積兩次，每次lh。將基片取出后，二次 水沖洗，然后超聲清洗5min，用氮?dú)獯蹈?，最后?duì)Cu2S薄膜在30(TC氮?dú)獗Ｗo(hù)下燒結(jié)處理。 即可在T^2納米薄膜表面得到圖案化納米Cu2S薄膜。
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實(shí)施例2 DTiO2薄膜的制備首先將玻璃基底浸入5mM 3_氨丙基三乙氧基硅烷(APTS)的 無(wú)水甲醇溶液，室溫下組裝3h，取出后依次用無(wú)水甲醇、二次水清洗，并用氮?dú)獯蹈桑蝗缓?取0. 06g Ti (SO4) 2、0. 058g H2O2和水組成前驅(qū)體溶液，并調(diào)節(jié)pH值為1. 6左右；然后將表 面具有APTS的基底置于此前驅(qū)體溶液中，70°C沉積lh。2) -CH3/-NH2-SAMs圖案化表面的構(gòu)筑方法同實(shí)例1。3) Cu2S 圖案化薄膜的制備將 0. 25g CuSO4. 5H20,0. 558g EDTA 溶解在 50mL 的水 中，形成透明澄清的溶液，滴加IM H2SO4調(diào)節(jié)pH值為2. 0，然后加入0. 248g的Naj2O3,混合 均勻后，將已圖案化SAMs的基片放入該溶液中70°C沉積兩次，每次0. ！。將基片取出后， 二次水沖洗，然后超聲清洗5min，用氮?dú)獯蹈?，最后?duì)Cu2S薄膜在250°C氮?dú)獗Ｗo(hù)下燒結(jié)處理。實(shí)施例3 DTiO2薄膜的制備方法同實(shí)例1。 2) -CH3/-NH2-SAMs圖案化表面的構(gòu)筑方法同實(shí)例1。3) Cu2S 圖案化薄膜的制備將 0. 125g CuSO4. 5H20,0. 279g EDTA 溶解在 50mL 的水 中，形成透明澄清的溶液，滴加IM H2SO4調(diào)節(jié)pH值為1. 5，然后加入0. 248g的Naj2O3,混合 均勻后，將已圖案化SAMs的基片放入該溶液中70°C沉積兩次，每次40分鐘。將基片取出 后，二次水沖洗，然后超聲清洗5min，用氮?dú)獯蹈?，最后?duì)Cu2S薄膜在30(TC氮?dú)獗Ｗo(hù)下燒
結(jié)處理。
權(quán)利要求
1. 一種增強(qiáng)二氧化鈦薄膜光吸收的圖案化復(fù)合薄膜制備方法，其特征在于步驟如下DTiO2薄膜的制備將玻璃基底浸入3-氨丙基三乙氧基硅烷的無(wú)水甲醇溶液，室溫下 組裝，取出后依次用無(wú)水甲醇、二次水清洗，并用氮?dú)獯蹈?；然后取Ti(S04)2、H2O2和水組成 前驅(qū)體溶液，并調(diào)節(jié)PH值為1.6左右；然后將表面具有APTS的玻璃基底置于此前驅(qū)體溶液 中，70 80°C沉積20 60min ；2)-CH3/-NH2-SAMs圖案化表面的構(gòu)筑將步驟(1)所制的TiA納米薄膜置于十八烷 基三氯硅烷的正己烷溶液，室溫下組裝，取出后用正己烷清洗，并用氮?dú)獯蹈桑蝗缓笤诒砻?具有OTS的TW2納米薄膜上放置掩膜并紫外光照，在光照的過(guò)程中，曝光區(qū)域的OTS SAMs 變?yōu)榱u基，得到了 -0H/-CH3 SAMs圖案化的表面；再將有-0H/_CH3 SAMs圖案化的基底放入 3-氨丙基三乙氧基硅烷的無(wú)水甲醇溶液中，室溫下組裝，得到-CH3/-NH2-SAMs圖案化表面 的構(gòu)筑；3)Cu2S圖案化薄膜的制備將步驟O)已圖案化SAMs的基片放入含有硫酸銅、硫代硫 酸鈉、EDTA的前驅(qū)體溶液中，調(diào)節(jié)pH值為1 3，65-75°C沉積兩次，每次0. 5 Ih ；最后對(duì) Cu2S薄膜在200 300°C氮?dú)獗Ｗo(hù)下燒結(jié)處理，在TW2納米薄膜表面得到圖案完整、邊界清 晰、結(jié)構(gòu)致密的圖案化納米Cu2S薄膜。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種增強(qiáng)二氧化鈦薄膜光吸收的圖案化復(fù)合薄膜制備方法。本發(fā)明以Ti(SO4)2和H2O2為前驅(qū)體溶液在玻璃基底上制備TiO2納米薄膜；然后利用紫外光刻的技術(shù)在TiO2納米薄膜表面制備圖案化的自組裝單分子膜；最后利用化學(xué)浴的方法，選擇性的沉積Cu2S納米晶，在TiO2納米薄膜表面制備圖案完整、邊界清晰、結(jié)構(gòu)致密的圖案化納米Cu2S薄膜。以圖案化的Cu2S納米薄膜作為光的吸收層，TiO2納米薄膜為電子注入層，形成的圖案化微結(jié)構(gòu)Cu2S/TiO2復(fù)合薄膜p-n異質(zhì)結(jié)，可有效提高TiO2納米薄膜的光吸收強(qiáng)度，擴(kuò)大了光吸收波長(zhǎng)范圍，從而進(jìn)一步增強(qiáng)薄膜的太陽(yáng)光吸收效率，這種圖案化復(fù)合薄膜在太陽(yáng)能電池、光電開(kāi)關(guān)、光電轉(zhuǎn)換以及光存儲(chǔ)等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)H01L31/18GK102104086SQ20091011774
公開(kāi)日2011年6月22日 申請(qǐng)日期2009年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月18日
發(fā)明者盧永娟, 賈均紅 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所