一種In摻雜硫化鋅薄膜及其制備方法和應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種In摻雜硫化鋅薄膜及其制備方法和應(yīng)用，采用化學(xué)浴沉積法制備薄膜，屬于非真空化學(xué)氣相沉積，該方法薄膜成份容易控制、制備成本低、適合進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。本發(fā)明利用摻入雜質(zhì)的辦法來降低硫化鋅薄膜的電阻率，測試表明：當(dāng)在ZnS中摻雜2at.%的In時，薄膜的雜質(zhì)相少、光學(xué)透過率高（可見光區(qū)的光學(xué)透過率約為85%）、電阻率低（2.6×105Ωcm）。所制得的ZnS薄膜適用于作為太陽電池的緩沖層材料。
【專利說明】ー種In摻雜硫化鋅薄膜及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料制備領(lǐng)域，具體涉及ー種適用于作為太陽電池的緩沖層材料摻雜硫化鋅薄膜及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在薄膜太陽電池的典型結(jié)構(gòu)中常會引入一個緩沖層以提高太陽電池的器件轉(zhuǎn)換效率。CdS與CdSe是薄膜太陽電池中應(yīng)用最為廣泛的緩沖層材料。但由于Cd具有毒性，對環(huán)境的危害較大，回收電池后處理比較困難。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并進(jìn)入吸收層等問題，使含Cd的光伏組件產(chǎn)品出現(xiàn)了較大的市場問題。近年來，對緩沖層材料的研究主要集中在制備無鎘緩沖層材料方向。其中尤以ZnS的性能表現(xiàn)最為優(yōu)異。
[0003]ZnS是ー種典型的I1- VI族寬帶隙半導(dǎo)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，這ー特性有助于提高電池的轉(zhuǎn)換效率。另外，ZnS薄膜材料附著力好、薄膜表面連續(xù)致密，具有良好的光學(xué)透過率，并具有較高的熔點。
[0004]但由于本征ZnS薄膜電阻率較高(約為IO7-1O8 Q cm),不利于提高薄膜太陽電池的轉(zhuǎn)換效率。所以針對這個問題，我們的研究采用了 In摻雜的方法來降低其電阻率，這是我們的發(fā)明構(gòu)思和理念，也是本發(fā)明的關(guān)鍵所在。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供ー種In摻雜硫化鋅薄膜及其制備方法和應(yīng)用，采用化學(xué)浴沉積法制備薄膜，薄膜成份容易控制、制備成本低、適合進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。本發(fā)明利用摻入雜質(zhì)的辦法來降低硫化鋅薄膜的電阻率，所制得的ZnS薄膜適用于作為太陽電池的緩沖層材料。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
ー種In摻雜ZnS薄膜的制備方法包括以下步驟:
(1)利用化學(xué)浴沉積法來制備薄膜，以醋酸鋅為鋅源、硫代こ酰胺為硫源、檸檬酸鈉為絡(luò)合劑，利用醋酸與醋酸鋅配合作為緩沖液控制溶液的PH值；
(2)以硫酸銦作為摻雜源對薄膜進(jìn)行摻雜處理，In元素的摻雜量為ZnS的0at.% -4
at.% ；
(3)將沉積制得的In摻雜ZnS薄膜在N2氣氛中進(jìn)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，制得的薄膜應(yīng)用于薄膜太陽電池的緩沖層材料。
[0007]本發(fā)明的顯著優(yōu)點在干:采用化學(xué)浴沉積法制備薄膜，薄膜成份容易控制、制備成本低、適合進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。本發(fā)明利用摻入雜質(zhì)的辦法來降低硫化鋅薄膜的電阻率，所制得的ZnS薄膜適用于作為太陽電池的緩沖層材料?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0008]圖1是不同In摻雜濃度下制備的In摻雜ZnS薄膜的XRD譜。
[0009]圖2是不同In摻雜濃度下制備的In摻雜ZnS薄膜的掃描電鏡圖。
[0010]圖3是不同In摻雜濃度下制備的In摻雜ZnS薄膜的透射光譜。
[0011]圖4是不同In摻雜濃度下制備的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(diào)節(jié)溶液pH值為4.0。
[0013]將溶液放置于水浴鍋內(nèi)進(jìn)行水浴加熱。待溶液溫度達(dá)到85°C后，向溶液內(nèi)添加15ml濃度為0.4mol/L的硫代乙酰胺。以添加硫代乙酰胺的時間為起點，以85°C的水浴溫度反應(yīng)1.5h。
[0014]將沉積制得的In摻雜ZnS薄膜在N2氣氛中進(jìn)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摻雜濃度條件下所制備的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(xiàn)出位于29.1°、48.9° ,58.0°的(111)、(220)、(311)面的衍射峰，且以(111)面為其擇優(yōu)生長取向面，屬于立方晶相的ZnS，對應(yīng)于XRD標(biāo)準(zhǔn)卡號01-080-0020。另外，ZnS:1n樣品的XRD譜與非摻雜樣品相似，也是屬于立方晶相ZnS。且并沒有表現(xiàn)出與摻雜元素In相關(guān)的化合物或單質(zhì)相的衍射峰。這是由于摻雜量較小，因此摻雜元素并不會顯著影響ZnS的基本結(jié)構(gòu)。
[0017]In摻雜ZnS薄膜的表面形貌分析。
[0018]圖2是不同In摻雜濃度條件下制備的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(tuán)聚物尺寸減小，但其表面卻表現(xiàn)出了更多的裂紋且孔隙面積及數(shù)量也有所增多。然而，若對樣品進(jìn)行適量的摻雜處理(摻雜量為2 at.%)，可使薄膜表面連續(xù)致密，基本無法觀察到孔隙與裂紋。而連續(xù)致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(xué)性能。
[0020]作為薄膜太陽電池的緩沖層材料，薄膜的光學(xué)性能是非常重要的。緩沖層材料需要有較大的禁帶寬度和較高的光學(xué)透過率，使更多的光可以進(jìn)行吸收層中并被吸收，才能有助于提高太陽電池的轉(zhuǎn)換效率。圖3是不同In摻雜濃度下制備的ZnS:1n薄膜的透射光譜。由圖可見，ZnS:1n薄膜在可見光區(qū)和近紅外光區(qū)的光學(xué)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(xué)性能最優(yōu)(可見光區(qū)和近紅外光學(xué)的光學(xué)透過率約為85%)，適宜應(yīng)用在薄膜太陽電池中作為緩沖層材料。這是由于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(dǎo)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于非摻雜的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(yīng)引起的禁帶展寬和由多體效應(yīng)引起的帶隙變窄。
[0021]In摻雜ZnS薄膜的電學(xué)性能。
[0022]圖4是不同In摻雜濃度下制備的ZnS薄膜的電阻率變化圖，具體電阻率值列于表
I。由圖可見，摻雜樣品的薄膜電阻率均明顯低于非摻雜ZnS薄膜。試驗說明，In摻雜能有效降低薄膜電阻率。這主要是由于摻雜元素In是3價金屬元素，摻入In后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(dá)到1.5 E4 Ω cm。然而，繼續(xù)升高摻雜濃度，薄膜電阻率又有所上升，且穩(wěn)定在約2.2 Ε5Ω cm處，適宜應(yīng)用在薄膜太陽電池中作為緩沖層材料。這可能是由于較高的摻雜濃度容易在晶界上形成雜質(zhì)相而造成晶界勢全的提1?，最終表現(xiàn)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(quán)利要求】
1.一種In摻雜ZnS薄膜的制備方法，其特征在于:包括以下步驟: (1)利用化學(xué)浴沉積法來制備薄膜，以醋酸鋅為鋅源、硫代乙酰胺為硫源、檸檬酸鈉為絡(luò)合劑，利用醋酸與醋酸鋅配合作為緩沖液控制溶液的PH值； (2)以硫酸銦作為摻雜源對薄膜進(jìn)行摻雜處理，In元素的摻雜量為ZnS的Oat.% -4at.% ； (3)將沉積制得的In摻雜ZnS薄膜在N2氣氛中進(jìn)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(jù)權(quán)利要求1所述的In摻雜ZnS薄膜的制備方法，其特征在于:所述In元素的摻雜量為ZnS的2 at.%。
3.—種如權(quán)利要求1所述的方法制得的In摻雜ZnS薄膜。
4.一種如權(quán)利要求1所述的方法制得的In摻雜ZnS薄膜應(yīng)用于薄膜太陽電池的緩沖層材料。
【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(yōu)先權(quán)日:2013年10月17日
【發(fā)明者】程樹英, 廖潔, 周海芳, 賴云鋒, 俞金玲, 龍博, 賈宏杰, 張紅 申請人:福州大學(xué)