CN102418130A - 网格状CuxS/Cu2O,x=1.75~2复合类金字塔薄膜的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种网格状Cu_xS/Cu₂O，x＝1.75～2复合类金字塔薄膜的制备方法，具体作法是：将方块面电阻为10-14欧的FTO，依次用HCl溶液、洗衣粉溶液、异丙醇溶剂超声洗净，晾干；取含CuSO₄和乳酸的混合溶液，以FTO为工作电极，铂片为对电极，采用电压法沉积；沉积后取出FTO，清洗烘干得Cu₂O类金字塔薄膜的FTO；再将其放入Na₂S溶液中处理，清洗烘干即在FTO上得网格状Cu_xS/Cu₂O复合类金字塔薄膜。该方法设备简单，能耗低，适合大规模生产；制得物对太阳光吸收波长范围宽，作为太阳能电池材料具有应用前景；可作为模版和反应介质直接合成其它具有窄禁带宽度的类金字塔形化合物，作为太阳能电池材料。

Description

网格状CuxS/Cu2O,x=1.75~2复合类金字塔薄膜的制备方法

技术领域

本发明涉及一种网格状Cu_xS/Cu₂O复合类金字塔薄膜的制备方法。

背景技术

能源问题是当今社会面临的重要问题，直接关系到国民经济的发展和环境保护。太阳能是一种取之不尽用之不竭的清洁能源，利用半导体材料将太阳能转换为电能是太阳能利用的主要形式。这些材料主要包括：Ge和Si单晶以及以它们为基础的掺杂体；化合物半导体有：CdS、CdSe、TiO₂、ZnO、CdTe、ZnSe、HgSe、HgTe、PbS、CuInS₂、PbSe、InP、InAs、Cu(In_1-xGa_x)Se₂、InSb、GaAs、GaSb等，利用不同的材料可以根据不同的需求设计制造太阳能电池。研究新型太阳能电池材料一直是一个重要的课题，可以为太阳能电池的设计制备提供新选择，从而有利于降低成本和生产能耗。

氧化亚铜(Cu₂O)是一种无毒的、重要的窄禁带p型半导体材料(禁带宽度约2.0-2.17eV)，在新型太阳能电池中具有潜在的应用价值，目前含有Cu₂O(结构为MgF₂/ITO/ZnO/Cu₂O)的太阳能电池其效率已经达到了2％左右。因此，探究新的Cu₂O光电体系是一个重要的研究课题。

提高太阳能电池效率的方法主要有拓宽光吸收范围和减少光散射等。Cu₂O的禁带宽度在2.0-2.17eV之间，只能吸收占太阳光中的可见光(300-600nm)，还存在约占太阳光总能量48％的红外光不能吸收。

发明内容

本发明目的就是提供一种网格状Cu_xS/Cu₂O，x＝1.75～2复合类金字塔薄膜的制备方法，该方法设备简单，能耗低，适合大规模生产；同时用该法制备的Cu_xS/Cu₂O复合类金字塔薄膜对太阳光的吸收波长范围宽，可拓宽到300-900nm；作为太阳能电池材料具有应用前景；同时，可作为模版和反应介质直接合成其它具有窄禁带宽度的类金字塔形化合物，作为太阳能电池材料。

本发明实现其发明的目所采用的技术方案是：一种网格状Cu_xS/Cu₂O，x＝1.75～2复合类金字塔薄膜的制备方法，其具体作法是：

a、掺杂氟的SnO2透明导电玻璃的清洗

(1)将方块面电阻为10-14欧的掺杂氟的SnO2透明导电玻璃，在0.1-0.3M的HCl溶液中，超声30-40min去除无机离子；(2)用去离子水冲洗干净后，放入5-10％的洗衣粉溶液，70℃超声2-2.5小时；(3)再用异丙醇溶剂超声30-40min；(4)去离子水洗净、晾干；

b、电化学沉积Cu₂O

取含CuSO₄和乳酸的混合溶液，混合溶液中CuSO₄浓度为4-5mol/L，乳酸浓度为3-5mol/L；乳酸为螯合剂，用NaOH溶液调节混合溶液的pH到12；然后，以FTO为工作电极，铂片为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，恒温65℃下恒电压法沉积，沉积电压为-0.3V，时间为15-40min，沉积过程中一直搅拌，搅拌速度为60-100转/分；沉积完成后取出FTO，用去离子水清洗3遍，烘干得到沉积有Cu₂O类金字塔薄膜的FTO；

c、硫化

将b步沉积有Cu₂O的FTO，放入浓度为0.05-0.07mol/L的Na₂S溶液中硫化处理60s，取出用去离子水清洗2-3遍，烘干即在FTO上得到网格状Cu_xS/Cu₂O复合类金字塔薄膜。

本发明方法的可能机理是：

b步的电沉积：

2Cu²⁺+H₂O+2^e-→Cu₂O+2H⁺

2Cu²⁺+2OH^-+2e^-→Cu₂O+H₂O

溶液中的Cu²⁺得电子转换为Cu₂O。

c步硫化形成：

Cu₂O+S^2-+H₂O→Cu₂S+2OH^-

14Cu₂O+16S^2-+O₂+16H₂O→4Cu₇S₄+32OH^-

Cu₂S和Cu₇S₄两种物质的混合物统一写为Cu_xS。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明采用简单的硫化技术，在保持原有Cu₂O类金字塔微结构的基础上，在Cu₂O表面形成了一层由Cu_xS组成的网格，进一步增加薄膜的光吸收范围，可拓宽到300-900nm；作为太阳能电池材料具有应用前景；同时，可作为模版和反应介质直接合成其它具有窄禁带宽度的类金字塔形化合物，作为太阳能电池材料。如通过铟化制得CuInS₂或其它Cu的化合物。

附图说明

图1是本发明实施例一制备的类金字塔形Cu₂O薄膜的正面扫描照片。

图2是本发明实施例一制备的类金字塔形Cu₂O薄膜的侧面扫描照片。

图3是本发明实施例一制备的类金字塔形Cu_xS/Cu₂O薄膜的30万倍扫描照片。

图4是本发明实施例一制备的类金字塔形Cu_xS/Cu₂O薄膜的50万倍扫描照片。

图5是本发明实施例一制备的类金字塔形Cu_xS/Cu₂O薄膜的能谱分析图。

图6为本发明实施例二硫化前的类金字塔形Cu₂O薄膜的正面扫描照片。

图7为本发明实施例二制备的类金字塔形Cu_xS/Cu₂O薄膜的50万倍扫描照片。

具体实施方式

实施例一

本发明的一种具体实施方式为：一种网格状Cu_xS/Cu₂O，x＝1.75～2复合类金字塔薄膜的制备方法，其具体作法是：

a、掺杂氟的SnO2透明导电玻璃的清洗

(1)将方块面电阻为10欧的掺杂氟的SnO2透明导电玻璃，在0.1M的HCl溶液中，超声30min去除无机离子；(2)用去离子水冲洗干净后，放入5％的洗衣粉溶液，70℃超声2小时；(3)再用异丙醇溶剂超声30min；(4)去离子水洗净、晾干；

b、电化学沉积Cu₂O

取含CuSO₄和乳酸的混合溶液，混合溶液中CuSO₄浓度为4mol/L，乳酸浓度为3mol/L；乳酸为螯合剂，用NaOH溶液调节混合溶液的pH到12；然后，以FTO为工作电极，铂片为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，恒温65℃下恒电压法沉积，沉积电压为-0.3V，时间为25min，沉积过程中一直搅拌，搅拌速度为100转/分；沉积完成后取出FTO，用去离子水清洗3遍，烘干得到沉积有Cu₂O类金字塔薄膜的FTO；

c、硫化

将b步沉积有Cu₂O的FTO，放入浓度为0.05mol/L的Na2S溶液中硫化处理60s，取出用去离子水清洗3遍，烘干即在FTO上得到网格状Cu_xS/Cu₂O复合类金字塔薄膜。

图1是实施例一制备的类金字塔形Cu_2O薄膜的扫描照片(正面)。图1表明，制备的薄膜中Cu₂O为类金字塔形。

图2是实施例一制备的类金字塔形Cu₂O薄膜的扫描照片(侧面)。图2可见，薄膜厚度为1微米左右。

图3是实施例一制备的类金字塔形Cu_xS/Cu₂O薄膜的30万倍扫描照片；图4是实施例一制备的类金字塔形Cu_xS/Cu₂O薄膜的50万倍扫描照片。从图3、图4可以看出硫化后出现了网格结构，网格由100×40nm的纳米棒交错而成，而类金字塔的主形貌并未改变。

图5是实施例一制备的类金字塔形Cu_xS/Cu₂O薄膜的能谱分析图。该图表明，这个纳米棒是由Cu_xS组成的。

实施实例二

本例的具体做法是：

a、掺杂氟的SnO2透明导电玻璃的清洗

(1)将方块面电阻为14欧的掺杂氟的SnO2透明导电玻璃，在0.2M的HCl溶液中，超声40min去除无机离子；(2)用去离子水冲洗干净后，放入8％的洗衣粉溶液，70℃超声2.5小时；(3)再用异丙醇溶剂超声35min；(4)去离子水洗净、晾干；

b、电化学沉积Cu₂O

取含CuSO₄和乳酸的混合溶液，混合溶液中CuSO₄浓度为5mol/L，乳酸浓度为5mol/L；乳酸为螯合剂，用NaOH溶液调节混合溶液的pH到12；然后，以FTO为工作电极，铂片为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，恒温65℃下恒电压法沉积，沉积电压为-0.3V，时间为15min，沉积过程中一直搅拌，搅拌速度为60转/分；沉积完成后取出FTO，用去离子水清洗3遍，烘干得到沉积有Cu₂O类金字塔薄膜的FTO；

c、硫化

将b步沉积有Cu₂O的FTO，放入浓度为0.07mol/L的Na₂S溶液中硫化处理60s，取出用去离子水清洗2遍，烘干即在FTO上得到网格状Cu_xS/Cu₂O复合类金字塔薄膜。

图6为实施例二硫化前的类金字塔形Cu₂O薄膜的正面扫描照片。图6表明，实施例二制备的薄膜中Cu₂O也为类金字塔形。

图7为本发明实施例二制备的类金字塔形Cu_xS/Cu₂O薄膜的50万倍扫描照片。图7可以看出硫化后在类金字塔上出现了由Cu_xS纳内米棒交错而成的网格结构，而类金字塔的主形貌并未改变。箭头所指出现了网格状结构，重复性好。

实施实例三

本例的具体做法是：

a、掺杂氟的SnO2透明导电玻璃的清洗

(1)将方块面电阻为12欧的掺杂氟的SnO2透明导电玻璃，在0.3M的HCl溶液中，超声37min去除无机离子；(2)用去离子水冲洗干净后，放入10％的洗衣粉溶液，70℃超声2.2小时；(3)再用异丙醇溶剂超声38min；(4)去离子水洗净、晾干；

b、电化学沉积Cu₂O

取含CuSO₄和乳酸的混合溶液，混合溶液中CuSO₄浓度为4.5mol/L，乳酸浓度为4mol/L；乳酸为螯合剂，用NaOH溶液调节混合溶液的pH到12；然后，以FTO为工作电极，铂片为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，恒温65℃下恒电压法沉积，沉积电压为-0.3V，时间为40min，沉积过程中一直搅拌，搅拌速度为80转/分；沉积完成后取出FTO，用去离子水清洗3遍，烘干得到沉积有Cu₂O类金字塔薄膜的FTO；

c、硫化

将b步沉积有Cu₂O的FTO，放入浓度为0.06mol/L的Na₂S溶液中硫化处理60s，取出用去离子水清洗3遍，烘干即在FTO上得到网格状Cu_xS/Cu₂O复合类金字塔薄膜。

Claims (1)

1.一种网格状Cu_xS/Cu₂O，x＝1.75～2复合类金字塔薄膜的制备方法，其具体作法是：

a、掺杂氟的SnO₂透明导电玻璃的清洗

(1)将方块面电阻为10-14欧的掺杂氟的SnO₂透明导电玻璃，在0.1-0.3M的HCl溶液中，超声30-40min去除无机离子；(2)用去离子水冲洗干净后，放入5-10％的洗衣粉溶液，70℃超声2-2.5小时；(3)再用异丙醇溶剂超声30-40min；(4)去离子水洗净、晾干；

b、电化学沉积Cu₂O

取含CuSO₄和乳酸的混合溶液，混合溶液中CuSO₄浓度为4-5mol/L，乳酸浓度为3-5mol/L；乳酸为螯合剂，用NaOH溶液调节混合溶液的pH到12；然后，以FTO为工作电极，铂片为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，恒温65℃下恒电压法沉积，沉积电压为-0.3V，时间为15-40min，沉积过程中一直搅拌，搅拌速度为60-100转/分；沉积完成后取出FTO，用去离子水清洗3遍，烘干得到沉积有Cu₂O类金字塔薄膜的FTO；

c、硫化

将b步沉积有Cu₂O的FTO，放入浓度为0.05-0.07mol/L的Na₂S溶液中硫化处理60s，取出用去离子水清洗2-3遍，烘干即在FTO上得到网格状Cu_xS/Cu₂O复合类金字塔薄膜。

Images