專利名稱：一種太陽電池光吸收層Cu₂O納米薄膜的化學(xué)制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種太陽電池光吸收層薄膜材料的制備工藝，屬于光伏電池技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
氧化亞銅(Cu2O)是最早被發(fā)現(xiàn)的半導(dǎo)體材料之一，由于其無毒、制備成本低、材料廣泛易得等優(yōu)點(diǎn)，受到了眾多研究者的重視。Cu2O是具有立方結(jié)構(gòu)的直接帶隙半導(dǎo)體材料，其禁帶寬度約為2. 17eV，能被波長(zhǎng)為80(T 400nm的可見光激發(fā)。多晶態(tài)的Cu2O可反復(fù)利用而不會(huì)被還原為Cu (O)或氧化成Cu ( II )，即穩(wěn)定性很好，因此Cu2O是一種應(yīng)用潛力很大的半 導(dǎo)體材料，它被廣泛地應(yīng)用于各種領(lǐng)域，如，太陽電池、高效光化學(xué)電池光電極、磁器件和光催化等。尤其是在太陽電池上，根據(jù)制備條件的不同電阻率可在IO3 IO13 Ω. cm范圍內(nèi)變化，可見光范圍的吸收系數(shù)較高，它的理論轉(zhuǎn)化效率可達(dá)20%，這使得它作為薄膜異質(zhì)結(jié)電池的吸收層成為了可能，但是至今為止其光電轉(zhuǎn)換效率較低。Cu2O是一種典型的P型半導(dǎo)體材料，目前，實(shí)現(xiàn)它的η型摻雜還很困難，因而也難以制備Cu2O同質(zhì)結(jié)電池,但Cu2O可與其它材料形成具有Schottky勢(shì)魚或異質(zhì)結(jié)的Cu2O太陽能電池，例如Cu2O / Cu的Schottky勢(shì)魚電池、Cu2O / ZnO和Cu2O / CdS的異質(zhì)結(jié)電池。Cu2O薄膜材料的制備方法公知的有真空熱蒸發(fā)、化學(xué)氧化、熱氧化、濺射、化學(xué)氣相沉積和電化學(xué)沉積等。Cu2O薄膜材料的制備仍面臨著許多問題和困難，Cu2O薄膜相成分和形貌的影響還不是很清楚，制得的Cu2O粒徑較大(微米級(jí))。微米級(jí)Cu2O中光生載流子的擴(kuò)散距離太長(zhǎng)，往往來不及到表面就復(fù)合了，因此光電轉(zhuǎn)換效率較低。但是如果粒徑從微米級(jí)減小到納米級(jí)，光生載流子的平均擴(kuò)散時(shí)間就會(huì)減小到1/102 1/106，復(fù)合幾率也會(huì)大大減小，從而導(dǎo)致太陽光利用率的提高。因此，納米Cu2O薄膜的制備對(duì)于提高太陽能利用效率是一個(gè)關(guān)鍵因素。專利(申請(qǐng)?zhí)?00310112821)采用將金屬銅陽極在含有乙腈與四氫呋喃的電解液中電解生成的氧化亞銅，制得的氧化亞銅在400 600°C氮?dú)獗Ｗo(hù)煅燒。此方法工藝中電解液含有毒成份，同時(shí)需高溫處理，在太陽電池制備上存在不利條件。

發(fā)明內(nèi)容
為解決背景技術(shù)提出的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種太陽電池光吸收層Cu2O納米薄膜的化學(xué)制備工藝，通過電化學(xué)沉積制備工藝制備出納米級(jí)Cu2O,使其光生載流子的平均擴(kuò)散時(shí)間就會(huì)減小到1/102 1/106，復(fù)合幾率大大減小，從而提高太陽光的利用率。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)手段具體步驟包括
A、RF射頻磁控濺射沉積氧化鋅(ZnO)層制備前驅(qū)體將氧化銦錫(ΙΤ0)導(dǎo)電玻璃基底先用洗滌劑進(jìn)行清洗，再采用丙酮超聲清洗，后用去離水進(jìn)行清洗，最后在密封干凈的干燥箱中烘干；用RF射頻磁控濺射在基底濺射氧化鋅(ZnO)層制備前驅(qū)體；
B、電化學(xué)沉積氧化亞銅(Cu2O)薄膜配制硫酸銅(CuS04)、乳酸鈉(CH3CH(0H)-COONa)的混合液；在混合液加入氫氧化鈉(NaOH)，將溶液的pH值調(diào)整為12 ;采用三電極電化學(xué)體系，即一個(gè)鉬金對(duì)電極和AglAgCl參比電極，用于沉積氧化亞銅(Cu20)薄膜，制備氧化亞銅(Cu20)薄膜樣品；
C、氧化亞銅(Cu2O)薄膜樣品退火處理將沉積樣品置于石英爐內(nèi)，往石英爐內(nèi)充入氮?dú)?，按一定的速度梯度將樣品加熱至恒溫，并維持一段時(shí)間，最后取出樣品自然冷卻至室溫。所述步驟B中電化學(xué)沉積所用混合液中的硫酸銅乳酸鈉的摩爾比=1:12. 5 ；
所述步驟C中氧化亞銅(Cu2O)薄膜樣品退火處理充入的氮?dú)饬髁繛镺. Im3/h ;所述溫度梯度為60°C min—1，加熱至180°C，并維持30min。本發(fā)明與公知技術(shù)相比具有的優(yōu)點(diǎn)及積極的有益效果
a.本發(fā)明的電化學(xué)沉積采用恒電位方式，無需攪拌，沉積量可通過監(jiān)測(cè)沉積電荷量來控制，操作簡(jiǎn)單、并能大面積沉積；
b.本發(fā)明通過控制溶液溫度和襯底，能實(shí)現(xiàn)薄膜結(jié)構(gòu)和厚度的可控生長(zhǎng)、成本低、純度高，實(shí)驗(yàn)測(cè)定，氧化亞銅(Cu2O)薄膜具有納米晶結(jié)構(gòu)，晶粒尺寸為80-150nm。


圖I為本發(fā)明提供的氧化亞銅(Cu2O)薄膜制備工藝流程圖。圖2為本發(fā)明提供的氧化亞銅(Cu2O)薄膜電化學(xué)沉積裝置示意圖。圖中I為工作電極；2為氧化鋅(ZnO)層前驅(qū)體；3為電解液；4為電化學(xué)沉積箱；5為Ag| AgCl參比電極；6為電化學(xué)工作站；7為電極連接導(dǎo)線；8為鉬金對(duì)電極
圖3為本發(fā)明提供的氧化亞銅(Cu2O)薄膜沉積結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式 實(shí)施例I
(1)將氧化銦錫(ITO)導(dǎo)電玻璃(30mmX50mmXlmm)基底先用洗滌劑進(jìn)行清洗，再采用丙酮超聲清洗15分鐘，后用去離水進(jìn)行清洗，最后在密封干凈的干燥箱中烘干；
(2)在基底上采用RF射頻磁控濺射沉積l-2Mm厚的氧化鋅(ZnO)層(前驅(qū)體)；
(3)用去離水配制電解液電解液為含0.4摩爾硫酸銅(CuSO4)、5摩爾乳酸鈉(CH3CH(OH) · COONa)的混合液；在混合液加入氫氧化鈉(NaOH)，將溶液的pH值調(diào)整為12 ；
(4 )采用三電極電化學(xué)體系(工作電極、對(duì)電極和參比電極)，以制備好的氧化鋅(ZnO)層(前驅(qū)體)作為工作電極、采用鉬金片作為對(duì)電極、采用AglAgCl作為參比電極，在配制好的電解液中沉積氧化亞銅(Cu2O)薄膜層。沉積過程采用恒電位(Autolab 20穩(wěn)壓器)方式，Cu2O沉積的化學(xué)電勢(shì)為-O. 4 V (伏)(相對(duì)于.Ag I AgCl參比電極)，在70 V的沉積溫度下無攪拌進(jìn)行，沉積量通過監(jiān)測(cè)沉積電荷量來控制，沉積時(shí)間約60 min ；
(5)用去離子水清洗沉積的氧化亞銅(Cu2O)薄膜樣品，自然晾干；
(6)氧化亞銅(Cu2O)薄膜樣品退火處理將沉積樣品置于石英爐內(nèi)，往石英爐內(nèi)充入氮?dú)?流量O. lm3/h),以60°C. HiirT1 (每分鐘60度)的速度梯度將樣品加熱至180°C，并維持180°C 爐溫 30 min ；
(7)取出樣品自然冷卻至室溫，得到2-3Mm厚的氧化亞銅(Cu2O)薄膜。權(quán)利要求
1.一種太陽電池光吸收層Cu2O納米薄膜的化學(xué)制備工藝，其特征在于，包括以下步驟 A、RF射頻磁控濺射沉積氧化鋅層制備前驅(qū)體將氧化銦錫導(dǎo)電玻璃基底先用洗滌劑進(jìn)行清洗，再采用丙酮超聲清洗，后用去離水進(jìn)行清洗，最后在密封干凈的干燥箱中烘干；用RF射頻磁控濺射在基底濺射氧化鋅層制備前驅(qū)體； B、電化學(xué)沉積氧化亞銅薄膜配制硫酸銅、乳酸鈉的混合液；在混合液加入氫氧化鈉，將溶液的pH值調(diào)整為12 ;采用三電極電化學(xué)體系，即一個(gè)鉬金對(duì)電極和AglAgCl參比電極，用于沉積氧化亞銅薄膜，制備氧化亞銅薄膜樣品； C、氧化亞銅薄膜樣品退火處理將沉積樣品置于石英爐內(nèi)，往石英爐內(nèi)充入氮?dú)猓匆欢ǖ乃俣忍荻葘悠芳訜嶂梁銣?，并維持一段時(shí)間，最后取出樣品自然冷卻至室溫。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備工藝，其特征在于所述步驟B中電化學(xué)沉積所用混合液中的硫酸銅乳酸鈉的摩爾比=1:12. 5。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的制備工藝，其特征在于所述步驟C中氧化亞銅(Cu2O)薄膜樣品退火處理充入的氮?dú)饬髁繛镺. ImVh ;所述溫度梯度為60°C mirT1，加熱至180°C，并維持30min。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種太陽電池光吸收層Cu2O納米薄膜的化學(xué)制備工藝，屬于光伏電池技術(shù)領(lǐng)域，通過電化學(xué)沉積制備工藝制備出納米級(jí)Cu2O，使其光生載流子的平均擴(kuò)散時(shí)間就會(huì)減小到1/102~1/106,復(fù)合幾率大大減小，從而提高太陽光的利用率，采用以下技術(shù)手段具體步驟包括A、RF射頻磁控濺射沉積氧化鋅(ZnO)層制備前驅(qū)體；B、電化學(xué)沉積氧化亞銅(Cu2O)薄膜；C、氧化亞銅(Cu2O)薄膜樣品退火處理。
文檔編號(hào)H01L31/18GK102637777SQ20121013614
公開日2012年8月15日 申請(qǐng)日期2012年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月4日
發(fā)明者冷天玖, 化麒麟, 彭柳軍, 楊培志, 楊雯, 自興發(fā), 鄧雙 申請(qǐng)人:云南師范大學(xué)