一種半導(dǎo)體Cu₂ZnTiS₄薄膜材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及薄膜太陽能電池制備技術(shù)領(lǐng)域，特指一種新型半導(dǎo)體Cu2ZnTiS4薄膜材料及其制備方法。采用磁控濺射多靶沉積方法，在鈉鈣玻璃(SLG)襯底表面采用三靶共濺Cu、Zn、Ti制備CZTi前驅(qū)體薄膜；將得到的CZT前軀體薄膜在510℃溫度下的H2S氣氛中保溫2個小時，即制備得到Cu2ZnTiS4半導(dǎo)體薄膜。采用本方法制備得到的Cu2ZnTiS4半導(dǎo)體薄膜是一種厚度為200?2000nm，光學(xué)吸收系數(shù)為104cm?1，載流子類型為P型的，具有延展性的半導(dǎo)體薄膜材料，對于實現(xiàn)薄膜材料完全柔性化具有十分重要的科學(xué)意義和工程價值。
【專利說明】
一種半導(dǎo)體〇U2ZnT i S4薄膜材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域 本發(fā)明涉及薄膜太陽能電池制備技術(shù)領(lǐng)域，特指一種新型半導(dǎo)體Cu2ZnTi S4薄膜材料 及其制備方法。
【背景技術(shù)】 近年來，隨著地球上有限的石油和煤炭等不可再生資源的逐漸耗盡，可再生能源的利 用與開發(fā)顯得越來越緊迫，其中，太陽能光伏發(fā)電將取之不盡的輻射到地面上的太陽能通 過太陽電池等光伏器件的光電轉(zhuǎn)換而源源不斷地轉(zhuǎn)變成為電能，已經(jīng)成為可再生能源中最 安全、最環(huán)保和最具潛力的競爭者。 目前為止，常見的太陽能電池主要包括硅電池，薄膜電池等等，在薄膜電池中主要分為 鈣鈦礦、CIGS與CZTS等，然而鈣鈦礦電池具有環(huán)境不穩(wěn)定性，CIGS成本較高，CZTS中Sn的熔 點較低，在制備過程中及其容易散失，難于制備。 薄膜電池與硅電池相比其一大優(yōu)點為易于實現(xiàn)柔性化，然而在現(xiàn)有的制備薄膜電池的 材料的厚度較大，基本厚度都達(dá)到lum以上，延展性較低，可柔性化程度較低。

【發(fā)明內(nèi)容】
本發(fā)明的目的在于提出了一種新型半導(dǎo)體Cu2ZnTiS4薄膜材料及其制備方法。 所述的新型Cu2ZnTiS4半導(dǎo)體薄膜材料是一種厚度僅為200-2000nm的半導(dǎo)體薄膜材 料。 所述的新型Cu2ZnTiS4半導(dǎo)體薄膜材料是一種吸收系數(shù)為lOtnf1的半導(dǎo)體薄膜材料。 所述的新型Cu2ZnTiS4半導(dǎo)體薄膜材料是一種P型半導(dǎo)體薄膜料。 所述的新型Cu2ZnTiS4半導(dǎo)體薄膜材料是一種具有延展性的半導(dǎo)體薄膜料。 本發(fā)明的另一目的是提供一種所述新型Cu2ZnTiS4半導(dǎo)體薄膜的制備方法，具體過程 如下:采用磁控濺射多靶沉積方法，在鈉鈣玻璃(SLG)襯底表面采用三靶共濺Cu、Zn、Ti制備 CZTi前驅(qū)體薄膜;將得到的CZT前軀體薄膜在510°C溫度下的H2S氣氛中保溫2個小時，即制 備得到Cu 2ZnTiS4半導(dǎo)體薄膜。 所述的鈉鈣玻璃依次用堿性溶液，丙酮，乙醇和去離子水超聲清洗，干燥后作為濺射襯 底。 所述的多靶沉積三元金屬前軀體薄膜是將鈉鈣玻璃襯底放入高真空三靶磁控濺射腔 體，工作壓強(qiáng)0.5-1.2Pa，采用Cu，Zn，Ti三靶共同濺射得到CZTi三元合金前軀體薄膜。 進(jìn)一步地，將清洗后的鈉鈣玻璃放入高真空三靶磁控濺射腔體，以Cu、Zn、Ti作為濺射 靶材，Cu與Ti采用直流電源，濺射功率分別為1 Ow與42w，Zn采用射頻電源，濺射功率為60w， 工作壓強(qiáng)0.5-1.2Pa，工作氣體采用的為體積濃度為99.999 %的氬氣，控制濺射時間，得到 不同厚度的CZTi前驅(qū)體薄膜。 所述的CZT前軀體薄膜硫化退火主要是將已經(jīng)得到的CZT前軀體薄膜，放入有H2S氣氛 的高溫管式爐中，硫化退火溫度為510°C，保持120min。 與現(xiàn)有發(fā)明相比，本發(fā)明具有以下有益效果:本發(fā)明主要采用的是真空制備方法，操作 簡單，成本低，產(chǎn)業(yè)化程度高等優(yōu)點。采用本方法制備得到的Cu2ZnTiS4半導(dǎo)體薄膜是一種厚 度為200-2000nm，光學(xué)吸收系數(shù)為lOtnf 1，載流子類型為P型的，具有延展性的半導(dǎo)體薄膜 材料，對于實現(xiàn)薄膜材料完全柔性化具有十分重要的科學(xué)意義和工程價值。
【附圖說明】 圖1為本發(fā)明制備的Cu2ZnTiS4半導(dǎo)體薄膜的XRD圖。 圖2為本發(fā)明制備的Cu2ZnTiS4半導(dǎo)體薄膜的SEM圖。 圖3為本發(fā)明制備的Cu2ZnTiS4半導(dǎo)體薄膜的EDS能譜圖。 圖4為本發(fā)明制備的Cu2ZnTiS4半導(dǎo)體薄膜的吸收率圖。 圖5為本發(fā)明制備的Cu2ZnTiS4半導(dǎo)體薄膜的延展性圖。 表1為本發(fā)明制備的Cu2ZnT i S4半導(dǎo)體薄膜的電學(xué)性能表。 表2為本發(fā)明制備的Cu2ZnTiS4半導(dǎo)體薄膜的EDS元素比例表。
【具體實施方式】
[0021]下面通過實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明，這些實施例僅用來說明本發(fā)明，并 不限制本發(fā)明的范圍
[0022] Cu2ZnTiS4半導(dǎo)體薄膜材料是一種厚度為200-2000nm的半導(dǎo)體薄膜材料。
[0023] Cu2ZnTiS4半導(dǎo)體薄膜材料是一種吸收系數(shù)為K^cnf1的半導(dǎo)體薄膜材料。
[0024] Cu2ZnTiS4半導(dǎo)體薄膜材料是一種Ρ型半導(dǎo)體薄膜料。
[0025] Cu2ZnTiS4半導(dǎo)體薄膜材料是一種具有延展性的半導(dǎo)體薄膜料。
[0025]本發(fā)明的另一目的是提供一種所述新型Cu2ZnTiS4半導(dǎo)體薄膜的制備方法，具體 過程如下:采用磁控濺射多靶沉積方法，在鈉鈣玻璃襯底表面采用三靶共濺Cu、Zn、Ti制備 CZTi前驅(qū)體薄膜;將得到的CZT前軀體薄膜在510°C溫度下的H2S氣氛中保溫2個小時，即制 備得到Cu 2ZnTiS4半導(dǎo)體薄膜。
[0026]這些實施例僅用來說明本發(fā)明，并不限制本發(fā)明的范圍 [0027] 實施例1: 鈉鈣基底玻璃的清洗 1.襯底選用鈉鈣玻璃，依次用堿性溶液，丙酮，乙醇，去離子水超聲清洗，干燥后備用。 CZTi前驅(qū)體薄膜的制備 1. 將清洗的鈉鈣玻璃放入高真空三靶磁控濺射腔體，以Cu、Zn、Ti作為濺射靶材，Cu與 Ti采用直流電源，濺射功率分別為10w與42w，Zn采用射頻電源，濺射功率為60w，工作壓強(qiáng) 0.5-1.2Pa，工作氣體采用的為體積濃度為99.999 %的氬氣，濺射時間為15-90min，得到厚 度為120-1500nm的前軀體三元金屬薄膜。 Cu2ZnTiS4薄膜的制備 1，制備過程需要高溫退火，將已經(jīng)制備得到的CZTi三元金屬前軀體薄膜放入石墨盒 中，再將石墨盒推入管式爐中心區(qū)域，流量為20sccm的H2S氣體通入管式爐。 2, 爐溫以20°C/min的速度升溫至510°C，保持120min，在該溫度下使前軀體薄膜與H2S 氣體充分反應(yīng)進(jìn)行硫化。 3,自然降溫，待100°C以下取出，即制備得新型半導(dǎo)體Cu2ZnTiS4薄膜，制備的樣品利用 X射線衍射儀進(jìn)行XRD測試，發(fā)現(xiàn)所制備得到的薄膜為鋅黃錫礦結(jié)構(gòu)，采用場發(fā)射掃描電鏡 觀察薄膜的表面形貌，發(fā)現(xiàn)所制備得到的Cu 2ZnTiS4薄膜完全結(jié)晶，采用EDS能譜儀測量薄膜 是否具有四種元素以及元素之比，發(fā)現(xiàn)所制備得到的Cu 2ZnTiS4薄膜以具有&!，211，11，5四種 元素，且元素之比為Cu/Zn+Ti = 0.88，Zn/Ti = 1.07，采用霍爾效應(yīng)測試其電學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)所 制備得到的Cu2ZnTiS4薄膜是一種P型半導(dǎo)體材料，載流子濃度可以達(dá)到10 2<3cnf3,光吸收特 性由紫外一可見光(UV-VIS)分光光度計測量，發(fā)現(xiàn)所制備得到的Cu 2ZnTiS4薄膜的吸收系數(shù) 可以達(dá)到ΙΟ4^1，采用納米壓痕測試儀測量其是否具有延展性，如圖5所示。 表1為本發(fā)明制備的Cu2ZnT i S4半導(dǎo)體薄膜的電學(xué)性能表
表2為本發(fā)明制備的Cu2ZnTiS4半導(dǎo)體薄膜的EDS元素比例表_
【主權(quán)項】
1. 一種半導(dǎo)體Cu2ZnTiS4薄膜材料，其特征在于:所述半導(dǎo)體Cu2ZnTiS4薄膜材料的厚度 僅為200-2000nm，吸收系數(shù)為IO 4Cnf1,是一種P型半導(dǎo)體薄膜料，是一種具有延展性的半導(dǎo) 體薄膜料。2. 如權(quán)利要求1所述的一種半導(dǎo)體Cu2ZnTiS4薄膜材料的制備方法，其特征在于:采用磁 控濺射多靶沉積方法，在鈉鈣玻璃(SLG)襯底表面采用三靶共濺Cu、Zn、Ti制備CZTi前驅(qū)體 薄膜；將得到的CZT前軀體薄膜在510°C溫度下的H 2S氣氛中保溫2個小時，即制備得到 Cu2ZnTiS4半導(dǎo)體薄膜。3. 如權(quán)利要求2所述的一種半導(dǎo)體Cu2ZnTiS4薄膜材料的制備方法，其特征在于:所述的 鈉鈣玻璃依次用堿性溶液，丙酮，乙醇和去離子水超聲清洗，干燥后作為濺射襯底。4. 如權(quán)利要求2所述的一種半導(dǎo)體Cu2ZnTiS4薄膜材料的制備方法，其特征在于:所述的 三靶共濺Cu、Zn、Ti制備前軀體薄膜是將清洗后的鈉鈣玻璃放入高真空三靶磁控濺射腔體， 以Cu、Zn、Ti作為濺射靶材，Cu與Ti采用直流電源，派射功率分別為IOw與42w，Zn采用射頻電 源，濺射功率為60w，工作壓強(qiáng)0.5-1.2Pa，工作氣體采用的為體積濃度為99.999 %的氬氣， 控制濺射時間，得到不同厚度的CZTi前驅(qū)體薄膜。
【文檔編號】C23C14/18GK105908132SQ201610119256
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年3月2日
【發(fā)明人】丁建寧, 郭華飛, 袁寧, 袁寧一, 張克智, 李燕
【申請人】常州大學(xué)