一種Zn(O,S)薄膜及其制備方法和應用
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于半導體薄膜材料技術領域，具體涉及一種Zn(0，S)薄膜及其制備方法和應用。
【背景技術】
[0002]目前，薄膜太陽能電池因具有成本低、轉化率高、穩(wěn)定性好的特點，越來越受到人們的極大關注，成為世界各國研究的熱點。薄膜太陽能電池的一般的典型結構是由玻璃襯底、鉬(Mo)背電極層、吸收層(CZTS，CIGS)、緩沖層、窗口層、鎳-鋁電極層、氟化鎂(MgF2)抗反射層組成。目前各類薄膜電池的緩沖層大多是采用CdS材料，太陽能電池的緩沖層要求它具有與吸收層之間有相近的晶格匹配，能形成和適的導帶帶階，且具有較大的禁帶寬度。而CdS是有毒化合物，且CdS的禁帶寬度較小，會造成光吸收損失，所以尋找CdS緩沖層的取代材料是一個研究熱點。
[0003]近年來，Zn (0，S)薄膜因在可見光區(qū)域的透過率高，能有效地提高吸收層對藍光區(qū)域的光吸收，同時可以通過控制氧和硫的原子之比從而來控制它的禁帶寬度和帶階，具有帶隙可調(diào)的優(yōu)點，有重要的潛在應用價值，近階段已經(jīng)引起各個科研院所的關注。Zn(0，S)是很有希望取代CdS成為薄膜太陽能電池的緩沖層的理想材料。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明的目的是在于提供一種Zn (0，S)薄膜及其制備方法和應用，制作出的Zn (O, S)薄膜可以通過控制氧化溫度來實現(xiàn)不同含量的O元素摻雜，它可以代替CdS用于薄膜太陽能電池的緩沖層中，不僅可以使電池器件的生產(chǎn)更加環(huán)保經(jīng)濟，而且它操作簡單，制備出來的薄膜光學透過率高，禁帶寬度大小可以調(diào)節(jié)，能增加光電子的收集效率從而增大電池的短路電流，提高太陽能電池的轉化效率。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案:
一種Zn(0，S)薄膜的制備方法包括以下步驟:
(1)選擇普通玻璃作為襯底，依次在去離子水、乙醇、丙酮、乙醇、丙酮中超聲清洗，每次超聲清洗的時間為15min，然后烘干；
(2)利用電子束蒸發(fā)的方法制備ZnS薄膜，采用純度為99.99%的ZnS陶瓷顆粒作為鍍料，控制反應室的壓力為5 X 10 4Pa,蒸發(fā)束流為2-4mA，沉積速度為0.3-0.5 nm/s ;
(3)將鍍有ZnS薄膜的玻璃襯底放置在氧氣氣氛下氧化處理，氧化溫度為350-500°C，氧化處理時間為2h，冷卻至室溫，得到Zn(0，S)薄膜。
[0006]制得的Zn(0，S)薄膜作為薄膜太陽能電池的緩沖層材料。
[0007]本發(fā)明的用于太陽能電池緩沖層的Zn(0，S)薄膜制備方法具有以下特點和優(yōu)點: (I)使用本發(fā)明制備出的Zn(0，S)薄膜可以實現(xiàn)控制不同0，S含量的Zn(0，S)薄膜，從而控制Zn(0，S)薄膜的禁帶寬度，以達到和吸收層形成良好的導帶階。
[0008](2)使用本發(fā)明制備出的Zn(0，S)薄膜的物相結構為閃鋅礦硫化鋅和六方相氧化鋅的混合結構，具有與吸收層有良好匹配的晶格結構。
[0009](3)本發(fā)明在設備條件允許的情況下，可以實現(xiàn)在真空室內(nèi)連續(xù)蒸發(fā)和氧化處理的過程。從而使得太陽能電池器件生產(chǎn)過程可以不用進出真空室而減少因暴露在大氣中造成的不良影響，方便一次性完成電池器件生產(chǎn)。
[0010](4)本發(fā)明在工藝操作上相對簡單，節(jié)省原料，且原料無毒環(huán)保，合成產(chǎn)物性能好，經(jīng)濟實惠，便于推廣應用。
【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明實施例1-4所制得的Zn(0，S)薄膜的X射線衍射圖。
[0012]圖2為本發(fā)明實施例1-4所制得的Zn(0，S)薄膜的透射光譜。
[0013]圖3為本發(fā)明實施例1-4所制得的Zn(0，S)薄膜的光學帶隙。
[0014]圖4為本發(fā)明實施例1-4所制得的Zn(O, S)薄膜的成分含量。
【具體實施方式】
[0015]實施例1
(a).襯底處理:選擇普通玻璃作為襯底，然后依次在去離子水，乙醇，丙酮溶液中超聲清洗。每次超聲清洗的時間為15min，最后再在去離子水中超聲清洗20min，然后在干燥箱中蒸干備用。
[0016](b).ZnS薄膜的制備:采用純度為99.99%的ZnS陶瓷顆粒作為鍍料，將其放入電子束蒸發(fā)系統(tǒng)的坩禍內(nèi)，將反應室的真空抽到5 X 10 4Pa左右，開始用電子束蒸發(fā)。控制蒸發(fā)束流為2-4mA，沉積速度為0.3-0.5 nm/s，膜厚為150nm左右。
[0017](c).氧化處理:將上述步驟中制備出的含有ZnS薄膜的玻璃襯底放置在氧氣氛圍下，在350 °C下氧化2h，得至Ij Zn (O, S)薄膜。
[0018]實施例2
(a).襯底處理:選擇普通玻璃作為襯底，然后依次在去離子水，乙醇，丙酮溶液中超聲清洗。每次超聲清洗的時間為15min，最后再在去離子水中超聲清洗20min，然后在干燥箱中蒸干備用。
[0019](b).ZnS薄膜的制備:采用純度為99.99%的ZnS陶瓷顆粒作為鍍料，將其放入電子束蒸發(fā)系統(tǒng)的坩禍內(nèi)，將反應室的真空抽到5 X 10 4Pa左右，開始用電子束蒸發(fā)?？刂普舭l(fā)束流為2-4mA，沉積速度為0.3-0.5 nm/s，膜厚為150nm左右。
[0020](c).氧化處理:將上述步驟中制備出的含有ZnS薄膜的玻璃襯底放置在氧氣氛圍下，在400 °C下氧化2h,得到Zn (O, S)薄膜。
[0021]實施例3
(a).襯底處理:選擇普通玻璃作為襯底，然后依次在去離子水，乙醇，丙酮溶液中超聲清洗。每次超聲清洗的時間為15min，最后再在去離子水中超聲清洗20min，然后在干燥箱中蒸干備用。
[0022](b).ZnS薄膜的制備:采用純度為99.99%的ZnS陶瓷顆粒作為鍍料，將其放入電子束蒸發(fā)系統(tǒng)的坩禍內(nèi)，將反應室的真空抽到5 X 10 4Pa左右，開始用電子束蒸發(fā)。控制蒸發(fā)束流為2-4mA，沉積速度為0.3-0.5 nm/s，膜厚為150nm左右。
[0023](c).氧化處理:將上述步驟中制備出的含有ZnS薄膜的玻璃襯底放置在氧氣氛圍下，在450 °C下氧化2h，得到Zn (O, S)薄膜。
[0024]實施例4
(a).襯底處理:選擇普通玻璃作為襯底，然后依次在去離子水，乙醇，丙酮溶液中超聲清洗。每次超聲清洗的時間為15min，最后再在去離子水中超聲清洗20min，然后在干燥箱中蒸干備用。
[0025](b).ZnS薄膜的制備:采用純度為99.99%的ZnS陶瓷顆粒作為鍍料，將其放入電子束蒸發(fā)系統(tǒng)的坩禍內(nèi)，將反應室的真空抽到5 X 10 4Pa左右，開始用電子束蒸發(fā)?？刂普舭l(fā)束流為2-4mA，沉積速度為0.3-0.5 nm/s，膜厚為150nm左右。
[0026](c).氧化處理:將上述步驟中制備出的含有ZnS薄膜的玻璃襯底放置在氧氣氛圍下，在500 °C下氧化2h，得至Ij Zn (O, S)薄膜。
[0027]圖1為本發(fā)明實施例1-4所制得的Zn(0，S)薄膜的X射線衍射圖。從圖1中可以看出所制備的Zn(0，S)薄膜中出現(xiàn)在28.61°、47.62。附近的(111)、(220)面的衍射峰，屬于閃鋅礦晶相的ZnS，對應于XRD標準卡號05-0566。出現(xiàn)在31.92°、56.68。、62.96。附近的(100)、( 110)、( 103)面的衍射峰，屬于紅鋅礦晶相的ZnO，對應于XRD標準卡號36-1451。在Zn (O, S)薄膜中同時出現(xiàn)了 ZnS和ZnO的結構，且隨著氧化溫度的升高，屬于閃鋅礦晶相的ZnS (220)面的衍射峰強度逐漸減弱，屬于紅鋅礦晶相的ZnO (100)、( 110)、( 103)面的衍射峰逐漸增強，這說明制備的Zn(0，S)薄膜隨著氧化溫度的升高，氧的含量增大，晶格結構發(fā)生了變化。特別是在500°C氧化下出現(xiàn)了一些新的既不屬于ZnS也不屬于ZnO的相，這也會影響薄膜的光電性能。
[0028]圖2為本發(fā)明實施例1-4所制得的Zn(O, S)薄膜的透射光譜。作為薄膜太陽電池的緩沖層材料，需要較高的光學透過率，使更多的光可以透過并被吸收層吸收，才能有助于提高太陽電池的轉換效率。從圖2中可以看出在氧化溫度為350 0C -450 °C時，樣品的吸收邊明顯，薄膜在可見光區(qū)域范圍內(nèi)的平均透射率均在82%以上，而以在450°C時透過率最高(86%左右)。
[0029]圖3為本發(fā)明實施例1-4所制得的Zn(0，S)薄膜的光學帶隙。作為薄膜太陽電池的緩沖層材料，需要較大的禁帶寬度，這樣可以減少緩沖層的光吸收而造成的光損失。從圖3可以看出在氧化溫度為350°C -500°C時，Zn (O, S)薄膜的禁帶寬度分別為3.4eV，3.36 eV,3.34 eV，3.24 eV，薄膜的禁帶寬度較大且達到了帶隙可調(diào)的目的。
[0030]圖4為本發(fā)明實施例1-4所制得的Zn(0，S)薄膜的成分含量。從圖中可以看出隨著氧化溫度的提高，O含量逐漸增加，而S含量逐漸減少，說明增大氧化溫度有利于更多的氧原子擴散進入Zn (O, S)薄膜，使得薄膜中的O和S的相對含量發(fā)生變化。而Zn成分含量在氧化溫度為400°C -500°C下小于50%，這說明在氧化過程中，較高的氧化溫度會使得部分Zn元素揮發(fā)損失。
[0031]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明申請專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
【主權項】
1.一種Zn (O，S)薄膜的制備方法，其特征在于:包括以下步驟: (1)選擇普通玻璃作為襯底，依次在去離子水、乙醇、丙酮、乙醇、丙酮中超聲清洗，每次超聲清洗的時間為15min，然后烘干； (2)利用電子束蒸發(fā)的方法制備ZnS薄膜，采用純度為99.99%的ZnS陶瓷顆粒作為鍍料，控制反應室的壓力為5 X 10 4Pa,蒸發(fā)束流為2-4mA，沉積速度為0.3-0.5 nm/s ; (3)將鍍有ZnS薄膜的玻璃襯底放置在氧氣氣氛下氧化處理，氧化溫度為350-500°C，氧化處理時間為2h，冷卻至室溫，得到Zn (O，S)薄膜。2.一種如權利要求1所述的方法制得的Zn (O，S)薄膜。3.一種如權利要求1所述的方法制得的Zn (O，S)薄膜的應用，其特征在于:制得的Zn (O, S)薄膜作為薄膜太陽能電池的緩沖層材料。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種Zn(O,S)薄膜及其制備方法和應用<b>，</b>屬于半導體薄膜材料技術領域。在真空條件下，通過電子束蒸發(fā)的方法蒸發(fā)ZnS陶瓷顆粒，使之沉積在玻璃襯底上形成ZnS薄膜，然后通過在氧氣氛圍下氧化ZnS薄膜的方法摻入O元素，形成Zn(O,S)薄膜。這種方法制作出的Zn(O,S)薄膜可以通過控制氧化溫度來實現(xiàn)不同含量的O元素摻雜，它可以代替CdS用于薄膜太陽能電池的緩沖層中，不僅可以使電池器件的生產(chǎn)更加環(huán)保經(jīng)濟，而且它操作簡單，制備出來的薄膜光學透過率高，禁帶寬度大小可以調(diào)節(jié)，能增加光電子的收集效率從而增大電池的短路電流，提高太陽能電池的轉化效率。
【IPC分類】H01L31/0296, H01L31/18
【公開號】CN105140317
【申請?zhí)枴緾N201510450613
【發(fā)明人】程樹英, 陳超, 周海芳, 賴云鋒, 張紅, 賈宏杰, 俞金玲, 鄭巧
【申請人】福州大學
【公開日】2015年12月9日
【申請日】2015年7月29日