一種由氯化銅和硝酸鎵制備銅鎵硒光電薄膜的方法
【專利摘要】一種由氯化銅和硝酸鎵制備銅鎵硒光電薄膜的方法，屬于太陽(yáng)電池用光電薄膜制備技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明通過(guò)如下步驟得到，首先清洗玻璃基片，然后將氯化銅、水合硝酸鎵、二氧化硒放入溶劑中，并調(diào)整 pH值為4.0～7.0，用旋涂法在玻璃片上得到前驅(qū)體薄膜，烘干，放入有水合聯(lián)氨的可密閉容器，使前驅(qū)體薄膜樣品不與聯(lián)氨接觸，并將裝有樣品的密閉容器裝入烘箱進(jìn)行加熱和保溫處理，最后取出樣品進(jìn)行干燥，得到銅鎵硒光電薄膜。本發(fā)明不需要高溫高真空條件，對(duì)儀器設(shè)備要求低，生產(chǎn)成本低，生產(chǎn)效率高，易于操作。所得銅鎵硒光電薄膜有較好的連續(xù)性和均勻性，主相為銅鎵硒相，這種新工藝容易控制目標(biāo)產(chǎn)物的成分和結(jié)構(gòu)，為制備高性能的銅鎵硒光電薄膜提供了一種成本低、可實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的生產(chǎn)方法。
【專利說(shuō)明】
一種由氯化銅和硝酸鎵制備銅鎵砸光電薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于太陽(yáng)電池用光電薄膜制備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種由氯化銅和硝酸鎵制備銅鎵砸光電薄膜的方法。
[0002]
【背景技術(shù)】
[0003]進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，能源和環(huán)境問(wèn)題成為人們更加關(guān)注的熱點(diǎn)，面對(duì)能源枯竭以及傳統(tǒng)能源帶來(lái)的環(huán)境污染，人們開始逐步尋找可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)化石能源的新型能源新一輪的能源革命正在緩慢拉開序幕。光伏發(fā)電具有安全可靠、無(wú)噪聲、無(wú)污染、制約少、故障率低、維護(hù)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，可以利用太陽(yáng)能這種清潔、安全和環(huán)保的可再生能源，因此近幾十年來(lái)太陽(yáng)電池的研究和開發(fā)日益受到重視。
[0004]銅鎵砸薄膜太陽(yáng)電池目前可以認(rèn)為是最有發(fā)展前景的薄膜電池之一，其光吸收層由低成本的銅基半導(dǎo)體材料組成，吸光能力遠(yuǎn)強(qiáng)于晶體硅，在太陽(yáng)光譜區(qū)光吸收深度在微米量級(jí)。銅鎵砸的光吸收系數(shù)高達(dá)105cm—1，明顯高于Si和CdTe等太陽(yáng)能電池材料，因此非常適合做光吸收材料。此外，銅鎵砸還有一系列的有點(diǎn):(I)銅鎵砸是直接帶隙半導(dǎo)體，這可減少對(duì)少數(shù)載流子擴(kuò)散的要求；(2)在室溫下銅鎵砸?guī)犊烧{(diào)，隨著鎵含量的變化，其帶隙可以在1.04?1.67eV范圍內(nèi)連續(xù)變化;(3)銅鎵砸吸收系數(shù)很大，轉(zhuǎn)換效率高，性能穩(wěn)定，薄膜厚度小，約2μπι，并且原料的價(jià)格較低，大面積制備時(shí)價(jià)格較低；(4)在較寬成分范圍內(nèi)電阻率都較??；(5)抗輻射能力強(qiáng)，沒有光致衰減效應(yīng)，因而使用壽命長(zhǎng)；(6) P型銅鎵砸材料的晶格結(jié)構(gòu)與電子親和力都能跟普通的N型窗口材料(如CdS、ZnO)匹配。
[0005 ]目前銅鎵砸的制備方法主要有溶劑熱法、噴射熱解法(Spr ay Pr ο I y s i s )、電噴射法、電沉積、化學(xué)沉積法、封閉的化學(xué)氣相輸運(yùn)法、化學(xué)氣相沉積、分子束外延、反應(yīng)濺射法、真空蒸發(fā)法、有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積法、等。由于銅鎵砸原料成本低，且其帶隙可以隨著鎵含量而改變，從而提高光電轉(zhuǎn)換效率，因此是一種非常有發(fā)展前途的太陽(yáng)能電池材料，但現(xiàn)有工藝路線復(fù)雜、制備成本高，因而同樣需要探索低成本的制備工藝。
[0006]象前面所述方法一樣，其它方法也有不同的缺陷。與本發(fā)明相關(guān)的還有如下文獻(xiàn):[I] Zheng Ping ping, Ding Tie zhu, Kang Zhen feng,Liu Wen de, Prearat1n
of Intermediate Band Semiconductor Materials CuGaSe2:Ge.Journal of SyntheticCrystals Vol.43 N0.8 (2014)1921-1925.主要描述了采用脈沖激光沉積法在鈣鈉玻璃襯底上制備CuGaSe2 = Ge薄膜，并且用X射線衍射儀，掃描電子顯微鏡對(duì)薄膜進(jìn)行了測(cè)試表征。
[0007][2] LiZhang,QingHe,Jianping Xiao ,Chuanming Xu，yuming Xue，YunSun，Study of Polycrystalline CuGaSe2 and CuGasSes Thin Films Deposited by PVD.15thInternat1nal Photovoltaic Science and Engineering Conference (2005)1176-1177.主要描述了利用PVD法，在Mo背底制備銅鎵砸薄膜，并且對(duì)制備的銅鎵砸薄膜成相以及形貌測(cè)試表征。
[0008][3] Zhao Yan min, Xiao Wen, Li Wei, Yang Li, Qiao Zai xiang,Influence of Substrates on the Wide Band Gap CGS Thin Films.Journal ofSynthetic Crystals.Vol.42 N0.12 (2013)2572-2575.主要描述了用“三步法”共蒸發(fā)工藝，在不同的襯底上制備銅鎵砸薄膜，并且通過(guò)對(duì)薄膜的成分、形貌、結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能的分析，得到襯底對(duì)制備銅鎵砸薄膜的影響。
[0009][4] Zhang Li, He Qing, Xu Chuan Ming, Xue Yu Ming, LI Chang Jian, Theeffect of composit1n on structural and electronic properties inpolycrystalline CuGaSe2 thin film.Chinese Physics B.Vol.17，N0.8 (2008)3138-3142.主要描述了共蒸發(fā)方法制備銅鎵砸太陽(yáng)能電池薄膜，并且分析了銅鎵砸的薄膜的物相和形貌，并且對(duì)銅鎵砸薄膜的電性能進(jìn)行了表征。
[0010]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，而發(fā)明了一種與現(xiàn)有技術(shù)的制備方法完全不同的，一種由氯化銅和硝酸鎵制備銅鎵砸光電薄膜的方法。
[0012]本發(fā)明采用旋涂-化學(xué)共還原法制備銅鎵砸薄膜材料，采用鈉鈣玻璃為基片，以氯化銅、水合硝酸鎵、二氧化砸為原料，以去離子水、乙二醇、乙醇胺、氨水或這四種原料的兩種以上的混合物為溶劑，以氨水為輔助介質(zhì)來(lái)調(diào)整溶液的PH值，按元素計(jì)量比先以旋涂法制備一定厚度的含銅鎵砸的前驅(qū)體薄膜，以水合聯(lián)氨為還原劑，在密閉容器內(nèi)在較低溫度下加熱，使前驅(qū)體薄膜還原并發(fā)生合成反應(yīng)得到目標(biāo)產(chǎn)物。
[0013]本發(fā)明的具體制備方法包括如下順序的步驟:
a.進(jìn)行玻璃基片的清洗，將大小為20mmX 20mm玻璃片放入按體積比硫酸:蒸饋水=2:1的溶液中，超聲波清洗30min;再將玻璃片放入體積比丙酮:蒸餾水=5:1的溶液中，超聲波清洗30min;再在蒸餾水中將玻璃基片用超聲振蕩30min;將上述得到的玻璃基片排放在玻璃皿中送入烘箱中，在100°C下烘干供制膜用。
[0014]b.將氯化銅、水合硝酸鎵、二氧化砸放入溶劑中，使溶液中的物質(zhì)均勻混合，并調(diào)節(jié)pH值。具體地說(shuō)，可以將1.0?3.0份氯化銅、1.5?4.5份水合硝酸鎵、1.2?3.6份二氧化砸放入110?450份的溶劑中，使溶液中的物質(zhì)均勻混合，可加入100?250份氨水來(lái)調(diào)整溶液的pH值為4.0?7.0，其中溶劑為去離子水、乙二醇、乙醇胺、氨水中至少一種的混合溶液。
[0015]c.制作外部均勻涂抹步驟b所述溶液的基片，并烘干，得到前驅(qū)體薄膜樣品?？梢詫⑸鲜鋈芤旱蔚椒胖迷趧蚰z機(jī)上的玻璃基片上，再啟動(dòng)勻膠機(jī)以300?3500轉(zhuǎn)/分旋轉(zhuǎn)一定時(shí)間，使滴上的溶液涂均勻后，在100°C對(duì)基片進(jìn)行烘干后，再次重復(fù)滴上前述溶液和旋轉(zhuǎn)涂布后再烘干，如此重復(fù)5?15次，于是在玻璃基片上得到了一定厚度的前驅(qū)體薄膜樣品。
[0016]d.將步驟c所得前驅(qū)體薄膜樣品置于支架上，放入有水合聯(lián)氨的可密閉容器，使前驅(qū)體薄膜樣品不與聯(lián)氨接觸。水合聯(lián)氨放入為35?40份。將裝有前驅(qū)薄膜樣品的密閉容器放入烘箱中，加熱至160?220°C之間，保溫時(shí)間為5?20小時(shí)，然后冷卻到室溫取出。
[0017]e.將步驟d所得物，使其常溫自然干燥后，即得到銅鎵砸光電薄膜。
[0018]本發(fā)明不需要高溫高真空條件，對(duì)儀器設(shè)備要求低，生產(chǎn)成本低，生產(chǎn)效率高，易于操作。所得銅鎵砸光電薄膜有較好的連續(xù)性和均勻性，主相為銅鎵砸相，這種新工藝容易控制目標(biāo)產(chǎn)物的成分和結(jié)構(gòu)，為制備高性能的銅鎵砸光電薄膜提供了一種成本低、可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。
[0019]
【具體實(shí)施方式】
[0020]實(shí)施例1
a.玻璃基片的清洗:如前所述進(jìn)行清洗玻璃基片，基片大小為20mmX20mm。
[0021]b.將1.5份氯化銅、2.5份水合硝酸鎵和1.7份二氧化砸放入378.07份去離子水中均勾混合，加氨水至pH為4.5，利用超聲波振動(dòng)30min以上，使溶液中的物質(zhì)均勾混合。
[0022]c.將上述溶液滴到放置在勻膠機(jī)上的玻璃基片上，再啟動(dòng)勻膠機(jī)，勻膠機(jī)以300轉(zhuǎn)/分轉(zhuǎn)動(dòng)5秒，以3000轉(zhuǎn)/分旋轉(zhuǎn)15秒，使滴上的溶液涂均勻后，在100 °C對(duì)基片進(jìn)行烘干后，再次重復(fù)滴上前述溶液和旋轉(zhuǎn)涂布后再烘干，如此重復(fù)10次，于是在玻璃基片上得到了一定厚度的前驅(qū)體薄膜樣品。
[0023]d.將上述工藝所得的前驅(qū)體薄膜樣品放入可密閉的容器，并放入37.807份水合聯(lián)氨，前驅(qū)薄膜樣品置于支架上使其不與聯(lián)氨接觸。將裝有前驅(qū)薄膜樣品的密閉容器放入烘箱中，加熱至200°C，保溫時(shí)間10小時(shí)，然后冷卻到室溫取出。
[0024]e.將步驟d所得物，進(jìn)行常溫自然干燥，得到銅鎵砸光電薄膜。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種由氯化銅和硝酸鎵制備銅鎵砸光電薄膜的方法，包括如下順序的步驟: a.玻璃基片的清洗； b.將1.0?3.0份氯化銅、1.5?4.5份水合硝酸鎵、1.2?3.6份二氧化砸放入110?450份的溶劑中，使溶液中的物質(zhì)均勻混合，并調(diào)整pH值至4.0?7.0 ； c.制作外部均勻涂抹步驟b所述溶液的基片，并烘干，得到前驅(qū)體薄膜樣品； d.將步驟c所得前驅(qū)體薄膜樣品置于支架上，放入有水合聯(lián)氨的可密閉容器，使前驅(qū)體薄膜樣品不與聯(lián)氨接觸;將裝有前驅(qū)薄膜樣品的密閉容器放入烘箱中，加熱至160?220°C之間，保溫時(shí)間為5?20小時(shí)，然后冷卻到室溫取出； e.將步驟d所得物，進(jìn)行自然干燥，得到銅鎵砸光電薄膜。2.如權(quán)利要求1所述的一種由氯化銅和硝酸鎵制備銅鎵砸光電薄膜的方法，其特征在于，步驟a所述清洗，是將玻璃基片大小為20mmX 20mm，放入按體積比硫酸:蒸饋水=2:1的溶液中，超聲波清洗;再將玻璃片放入按體積比丙酮:蒸餾水=5: I的溶液中，超聲波清洗;再在蒸餾水中將玻璃基片用超聲振蕩;將上述得到的玻璃基片排放在玻璃皿中送入烘箱中烘干供制膜用。3.如權(quán)利要求1所述的一種由氯化銅和硝酸鎵制備銅鎵砸光電薄膜的方法，其特征在于，步驟b所述的溶劑為去離子水、乙醇、乙二醇、乙醇胺、氨水中至少一種。4.如權(quán)利要求1所述的一種由氯化銅和硝酸鎵制備銅鎵砸光電薄膜的方法，其特征在于，步驟c所述均勻涂抹的基片，是通過(guò)勻膠機(jī)涂抹，勻膠機(jī)以300?3500轉(zhuǎn)/分旋轉(zhuǎn)，然后對(duì)基片進(jìn)行烘干后，再次如此重復(fù)5?15次，得到了一定厚度的前驅(qū)體薄膜樣品。5.如權(quán)利要求1所述的一種由氯化銅和硝酸鎵制備銅鎵砸光電薄膜的方法，其特征在于，步驟d所述密閉容器內(nèi)放入35?40份水合聯(lián)氨。
【文檔編號(hào)】C23C18/12GK106067489SQ201610427080
【公開日】2016年11月2日
【申請(qǐng)日】2016年6月15日 公開號(hào)201610427080.8, CN 106067489 A, CN 106067489A, CN 201610427080, CN-A-106067489, CN106067489 A, CN106067489A, CN201610427080, CN201610427080.8
【發(fā)明人】劉科高, 徐勇, 吳海洋, 李靜, 石磊
【申請(qǐng)人】山東建筑大學(xué)