CN104465891A - 一种GaSb/CdS异质结薄膜热光伏电池的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种GaSb/CdS异质结薄膜热光伏电池的制备方法，主要考虑到GaSb薄膜表面存在较大缺陷态的问题，在化学水浴法制备CdS过程中采用两步法进行制备，先通过高温和高搅拌速率让溶液中的硫离子渗透到GaSb表面，以实现CdS对GaSb的钝化作用，然后稍稍降低反应温度和搅拌速率进行后续的CdS沉积，并用退火工艺提高薄膜结晶质量。本发明中，化学水浴法制备过程中的硫离子具有钝化GaSb表面悬键的作用，能有效地降低GaSb薄膜的表面复合速率，而且该方法简单廉价，易于实施，可以使制备GaSb热光伏电池的成本低廉。
Description
技术领域
本发明涉及GaSb薄膜热光伏电池的制造领域，特别涉及一种GaSb/CdS异质结电池的制备方法。
背景技术
热光伏技术被称为第三代光伏技术，其中热光伏电池是热光伏技术中的核心部分。热光伏电池是将高温热辐射能转化为电能的装置，利用光生伏特效应，通过半导体PN结实现光电转化，与传统光伏电池的原理相同，只是传统光伏电池通常利用可见光范围，而热光伏电池转换的光谱可拓展至近红外光范围。目前GaSb热光伏电池主要以晶体GaSb为主，在N型GaSb圆晶片上进行Zn扩散，就可以得到GaSb同质结电池，或者在GaSb晶片上用分子束外延的方法生长其它三五族化合物形成异质结，这种结构对衬底的要求很高，而且价格昂贵，因此采用薄膜沉积技术制备热光伏电池是降低成本的有效途径。
发明内容
本发明针对上述存在的问题，使用真空物理气相沉积方法在廉价衬底上制备GaSb薄膜；采用化学水浴法制备CdS薄膜，制备异质结热光伏电池结构。其中化学水浴法制备过程中的硫离子具有钝化GaSb表面悬键的作用，能有效地降低GaSb薄膜的表面复合速率，而且该方法简单廉价，易于实施，可以使制备GaSb热光伏电池的成本低廉。此方法由于制备的GaSb薄膜属于多晶材料，薄膜内部缺陷态密度要比单晶GaSb晶片大，如何提高GaSb结晶质量，降低表面复合速率是该技术的关键。
本发明的技术方案是：
衬底清洗的步骤，该步骤中是将衬底放入去离子水中，加入电子清洗剂，并超声清洗30min，取出后将水换掉，换成去离子水后再超声清洗10min；
制备GaSb薄膜的步骤，该步骤是将单质Ga和Sb放在坩埚中，并在真空环境下分别加热蒸发，Ga和Sb在真空下发生化合反应，然后沉积在衬底上，然后再通过真空退火，改善薄膜的结晶质量；
制备CdS薄膜的步骤，该步骤是将硫脲、乙酸镉、乙酸铵、氨水四种溶液混合并搅拌均匀，将制备好的GaSb薄膜样品放在样品架上并浸泡在制备CdS薄膜溶液中，再把溶液放入水浴锅中加热搅拌，反应后得到CdS薄膜；
退火的步骤，该步骤是在真空条件下退火30min，退火温度为400℃；
生成面电极和背电极的步骤，该步骤是采用磁控溅射法在样品正面生长ITO薄膜作为电极，使用金属铝薄膜作为背电极。
以上制备GaSb薄膜的步骤中，真空度为10-4Pa，加热蒸发中衬底温度为500℃，Ga源温度为850℃，Sb源温度为460℃，沉积时间为40min。
以上制备CdS薄膜的步骤中，硫脲、乙酸镉、乙酸铵、氨水按以下用量：0.2mol/L硫脲溶液12.5mL、0.05mol/L乙酸镉溶液10mL、0.5mol/L乙酸铵溶液6mL、25％氨水10mL，并配置在462mL去离子水中，水浴锅加热温度为83℃，搅拌速率为150r/min。
以上制备制备CdS薄膜的步骤中，还包括后续的CdS沉积的步骤，是水浴锅加热反应时间经过3min后，改变加热温度为75℃，搅拌速率降为100r/min，反应时间经过12min后将样品取出。
以上所述的衬底为玻璃衬底。
本方法的优点和积极效果是：
第一步使用共蒸发法制备GaSb薄膜，该工艺过程简单，成本低廉，简化了薄膜的生长方法，而且通过坩埚小口设计，让原料呈现定向放射型蒸发方式，大大减少原料损耗。利用Ga和Sb各自的温控系统可以较好的控制两种单质的蒸发速率，通过改变衬底温度可以控制薄膜的结晶质量，通过生长时间可以控制薄膜的厚度。第二步用化学水浴法制备CdS，采取低温方法，不会对GaSb造成影响，而且化学水浴法中的硫离子能够在GaSb表面形成Ga-S键和Sb-S键，极大地降低了两者之间的界面态密度，另外该方法形成的CdS致密性良好，较低的厚度就可以覆盖GaSb表面，这有利于窗口层CdS的减薄。
附图说明
图1为本发明电池制备的具体实施步骤。
具体实施方式
下面结合附图对本发明所述的技术方案进行详细的说明，结合附图1所示的步骤，本发明的一个具体实施例是：
取4.2cm×4.2cm方形玻璃作为衬底，放入去离子水中，加入适量电子清洗剂，超声清洗30min，随后使用去离子水后再超声清洗10min。
清洗好后取出并用干燥氮气吹干，并蒸上铝电极后，放入共蒸发设备的样品架中。
抽真空同时加热衬底，待反应室真空度为10-4Pa，打开坩埚的加热源，其中衬底温度为500℃，Ga源温度为850℃，Sb源温度为460℃，沉积时间为40min。
蒸发完毕且待样片冷却至室温后取出样片，用PI胶条将样片边缘部分封死保护铝电极。
配制水浴法溶液，量取去离子水462mL，0.2mol/L硫脲溶液12.5mL，0.05mol/L乙酸镉溶液10mL，0.5mol/L乙酸铵溶液6mL，25％氨水10mL，混合在一起并搅拌均匀。将GaSb样片用样品架装好后放入浓硫酸中浸泡1min，然后放入上述反应溶液中，并将水浴锅加热搅拌，加热温度为83℃，搅拌速率为150r/min。
水浴反应时间经过3min后，改变加热温度为75℃，搅拌速率降为100r/min，反应时间经过12min后将样品取出。
将样品在真空条件下退火30min，退火温度为400℃。
采用磁控溅射法在样品正面生长ITO薄膜作为电极，样品制备完成。
综上，本发明提供了一种GaSb/CdS异质结薄膜热光伏电池的制备方法，主要考虑到GaSb薄膜表面存在较大缺陷态的问题，在化学水浴法制备CdS过程中采用两步法进行制备，先通过高温和高搅拌速率让溶液中的硫离子渗透到GaSb表面，以实现CdS对GaSb的钝化作用，然后稍稍降低反应温度和搅拌速率进行后续的CdS沉积，并用退火工艺提高薄膜结晶质量。
本发明不限于上述实施方式，任何采用与本结构相同或相似的设计，均在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种GaSb/CdS异质结薄膜热光伏电池的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
衬底清洗的步骤，该步骤中是将衬底放入去离子水中，加入电子清洗剂，并超声清洗30min，取出后将水换掉，换成去离子水后再超声清洗10min；
制备GaSb薄膜的步骤，该步骤是将单质Ga和Sb放在坩埚中，并在真空环境下分别加热蒸发，Ga和Sb在真空下发生化合反应，然后沉积在衬底上，然后再通过真空退火，改善薄膜的结晶质量；
制备CdS薄膜的步骤，该步骤是将硫脲、乙酸镉、乙酸铵、氨水四种溶液混合并搅拌均匀，将制备好的GaSb薄膜样品放在样品架上并浸泡在制备CdS薄膜溶液中，再把溶液放入水浴锅中加热搅拌，反应后得到CdS薄膜；
退火的步骤，该步骤是在真空条件下退火30min，退火温度为400℃；
生成面电极和背电极的步骤，该步骤是采用磁控溅射法在样品正面生长ITO薄膜作为电极，使用金属铝薄膜作为背电极。
2.根据权利要求1所述的GaSb/CdS异质结薄膜热光伏电池的制备方法，其特征在于：以上制备GaSb薄膜的步骤中，真空度为10-4Pa，加热蒸发中衬底温度为500℃，Ga源温度为850℃，Sb源温度为460℃，沉积时间为40min。
3.根据权利要求1所述的GaSb/CdS异质结薄膜热光伏电池的制备方法，其特征在于：以上制备CdS薄膜的步骤中，硫脲、乙酸镉、乙酸铵、氨水按以下用量：0.2mol/L硫脲溶液12.5mL、0.05mol/L乙酸镉溶液10mL、0.5mol/L乙酸铵溶液6mL、25％氨水10mL，并配置在462mL去离子水中，水浴锅加热温度为83℃，搅拌速率为150r/min。
4.根据权利要求1所述的GaSb/CdS异质结薄膜热光伏电池的制备方法，其特征在于：以上制备制备CdS薄膜的步骤中，还包括后续的CdS沉积的步骤，是水浴锅加热反应时间经过3min后，改变加热温度为75℃，搅拌速率降为100r/min，反应时间经过12min后将样品取出。
5.根据权利要求1或2所述的GaSb/CdS异质结薄膜热光伏电池的制备方法，其特征在于：以上所述的衬底为玻璃衬底。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20150325 |