CN105762207A - 一种窄带隙的Sb2S3半导体薄膜的水热制备方法 - Google Patents

一种窄带隙的Sb2S3半导体薄膜的水热制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种窄带隙的Sb2S3半导体薄膜的水热制备方法,溶液中含有摩尔比为10:(9?80)的酒石酸锑钾和硫代硫酸钠,溶液的pH值介于4?4.5之间,溶液经搅拌超声后用水热法在ITO玻璃基底上直接制备出了附着力良好的Sb2S3薄膜,然后在惰性气氛保护条件下于250oC?550oC下恒温,得到窄带隙Sb2S3半导体薄膜。本发明提供的方法中新型镀液对环境友好,直接在ITO玻璃基底上制备出来了Sb2S3半导体薄膜,并且其带隙较窄,适合作为薄膜太阳能电池的吸收层材料。

Description

一种窄带隙的Sb2S3半导体薄膜的水热制备方法
技术领域
本发明属于光电材料领域,具体涉及可用作薄膜太阳能电池吸收层材料的窄带隙的Sb2S3半导体薄膜的水热制备方法。
背景技术
Sb2S3是一种典型的过渡金属硫族化合物,它是典型的V-VI族化合物,是一种非常重要的直接带隙无机半导体。它的带隙值为1.5eV~2.2eV,同时,Sb2S3在波长小于900nm的范围内,呈现出较高的光吸收系数(α≈105cm-1)。Sb2S3对太阳光光谱的响应范围较宽,体现出优异的光敏性能。作为一种很有潜力的半导体材料,Sb2S3因为具有上述的物理特性及半导体属性,使其成为极具发展潜力的光电材料,这些优异的光电性能和热电性能,促进了其在影像技术、开关器件、微波器件、热电器件和光电器件太阳能电池等领域得到了越来越广泛的应用。作为无机半导体薄膜太阳电池吸收层材料的Sb2S3半导体薄膜成为了近年来的研究热点之一,将其用作吸收层材料,有利于提高电池的开路电压、短路电流,从而提高光电转化效率。
目前,已报道的用于制备不同形貌的Sb2S3晶体的方法有很多,包括化学浴法、连续离子层吸附反应法、电沉积法、真空热蒸发法、喷雾热解法、溶剂热法以及水热法等等。其中,水热法由于其重复性好、可操作性强等优点而得到了广泛的应用和关注。
但是已报道的水热法制备Sb2S3材料存在以下缺点:1)制备的Sb2S3材料一般为粉末状,在组装太阳能电池的过程中还需要旋涂或者喷涂的方法,使其在基底上成膜;2)溶液体系中常用SbCl3提供Sb3+,但SbCl3很容易水解导致体系不稳定,所以需要额外加入一些以柠檬酸、酒石酸和EDTA等为代表的络合剂或者以丙酮等为代表的有机溶剂来促进SbCl3的溶解,从而保证体系的稳定性,而这些溶剂对环境造成污染;3)溶液体系中常用硫代乙酰胺、硫脲为硫源,这些有机硫源在反应过程中均散发出刺激性很强的氨,对环境污染很大,造成工作环境恶劣。4)已有的水热法制备的Sb2S3材料带隙值高于太阳能电池吸收层的最优带隙值1.5eV,使其对太阳光的吸收效率降低。
虽然已有报道了Sb2S3半导体薄膜的化学浴制备方法,但是存在以下缺点:1)溶液用有机溶剂丙酮来溶解SbCl3,对环境污染大;2)制备出来的薄膜未达到均匀连续,降低了对太阳光的吸收效率;3)制备出来的薄膜带隙值为2.30eV,大大高于太阳能电池吸收层的最优带隙值1.5eV,不利于作为太阳能电池的吸收层材料。
因此,为了得到高品质的无机半导体薄膜太阳能电池用窄带隙Sb2S3半导体薄膜,必须研究一种新颖的溶液体系以及能够直接成膜的方法。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题,本发明提供一种窄带隙Sb2S3半导体薄膜的水热制备方法。
本发明采用如下技术方案,一种窄带隙Sb2S3半导体薄膜的水热制备方法,包括以下步骤:
(1)配制溶液:在溶液中加入硫源和锑源,其中Sb3+和S2O3 2-的摩尔比为10:(9-80)的,溶液的pH值介于4-4.5之间;
(2)在步骤(1)配制好的溶液经搅拌超声后,用水热法在ITO玻璃基底上直接制备Sb2S3半导体薄膜,水热温度控制在120-210oC,水热时间控制在1-12h;
(3)将步骤(2)制备出的Sb2S3薄膜,置于惰性气氛保护条件下,于250-550oC下恒温退火。
在本发明的优选的实施方式中,所述的锑源为酒石酸锑钾(KSbC4H4O7·1/2H2O),所述硫源为硫代硫酸钠(Na2S2O3·5H2O)。
在本发明的优选的实施方式中,所述的惰性气氛为氮气和/或氩气气氛。
本发明还保护上述水热制备方法制备得到的Sb2S3半导体薄膜,其带隙在1.63-1.73eV之间。
与现有技术相比较,本发明方法具有以下有益效果:
1)本发明溶液中采用了一种新型的组合方式:用酒石酸锑钾来取代传统的SbCl3锑源,用硫代硫酸钠来取代传统的硫代乙酰胺、硫脲为硫源。不需要任何添加剂或有机溶剂即可得到均一、环境友好的溶液。通过对水热制备方法工艺条件的精确控制,利用水热制备方法制备出了Sb2S3半导体薄膜。
2)在ITO玻璃基底上直接制备出了Sb2S3半导体薄膜,且薄膜均匀连续。
3)本发明中得到的Sb2S3半导体薄膜经退火处理后变成了结晶性好、窄带隙的Sb2S3半导体薄膜,适于用作无机半导体太阳能电池吸收层材料。
附图说明
以下结合附图对本发明作进一步说明:
图1:水热法制备的Sb2S3半导体薄膜在250oC退火前后的X射线衍射图;
图2:水热法制备的Sb2S3半导体薄膜在250oC退火后的扫描电子显微镜照片;
图3:水热法制备的Sb2S3半导体薄膜在250oC退火后的吸收光谱图;
图4:水热法制备的Sb2S3半导体薄膜在250oC退火后的(αhν)2-(hν)图;
图5:水热法制备的Sb2S3半导体薄膜在450oC退火后的X射线衍射图;
图6:水热法制备的Sb2S3半导体薄膜在450oC退火后的扫描电子显微镜照片;
图7:水热法制备的Sb2S3半导体薄膜在450oC退火后的吸收光谱图;
图8:水热法制备的Sb2S3半导体薄膜在450oC退火后的(αhν)2-(hν)图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,而不构成对本发明的限制。
实施例1
1)依次称取0.334gKSbC4H4O7·1/2H2O,0.496gNa2S2O3·5H2O(所用试剂均为分析纯,摩尔比为10:20)溶于100mL水溶液中,搅拌均匀后超声5min。
2)将步骤1)中配制的溶液转移到水热釜的聚四氟乙烯内胆中,以预处理后的ITO玻璃为基底,将其导电面朝下,斜放在聚四氟乙烯内胆中。把水热釜和聚四氟乙烯内胆密封后,将水热釜的温度控制在150oC,水热时间控制在8h,得到附着力良好的橙红色Sb2S3半导体薄膜。图1的X射线衍射结果表明该薄膜仅有微弱的Sb2S3的衍射峰,表明其结晶性较差的结构。
3)在氩气保护条件下,将上述的Sb2S3半导体薄膜置于管式炉内在250oC下恒温60min后,将薄膜取出。图1的X射线衍射结果表明得到的是纯净的正交晶系的Sb2S3薄膜。图2的扫描电镜照片表明得到的薄膜是均匀连续的。图3的吸收光谱结果表明得到的薄膜在可见光区具有良好的吸光性。根据图4的(αhν)2-(hν)结果可见得到的薄膜带隙为1.73eV,可较好地满足太阳能电池对吸收层材料的要求。
实施例2
1)依次称取0.334gKSbC4H4O7·1/2H2O,0.496gNa2S2O3·5H2O(所用试剂均为分析纯,摩尔比为10:20)溶于100mL水溶液中,搅拌均匀后超声5min。
2)将步骤1)中配制的溶液转移到水热釜的聚四氟乙烯内胆中,以预处理后的ITO玻璃为基底,将其导电面朝下,斜放在聚四氟乙烯内胆中。把水热釜和聚四氟乙烯内胆密封后,将水热釜的温度控制在150oC,水热时间控制在8h,得到附着力良好的橙红色Sb2S3半导体薄膜。
3)在氩气保护条件下,将上述的Sb2S3半导体薄膜置于管式炉内在450oC下恒温60min后,将薄膜取出。图5的X射线衍射结果表明得到的是由正交晶系和不常见的Sb2S3未命名相组成的混合相Sb2S3薄膜。图6的扫描电镜照片表明得到的薄膜是均匀连续的。图7的吸收光谱结果表明得到的薄膜在可见光区具有良好的吸光性。根据图8的(αhν)2-(hν)结果可见得到的薄膜带隙为1.63eV,满足太阳能电池对吸收层材料的要求。
以上具体实施方式描述了本发明的基本原理和主要特征。本行业的技术人员应该了解,本发明的保护范围不受上述实施例的限制,任何不经过创造性劳动想到的变化或者替换,都应该涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种窄带隙Sb2S3半导体薄膜的水热制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)配制溶液:在溶液中加入硫源和锑源,其中Sb3+和S2O3 2-的摩尔比为10:(9-80)的,溶液的pH值介于4-4.5之间;
(2)在步骤(1)配制好的溶液经搅拌超声后,用水热法在ITO玻璃基底上直接制备Sb2S3半导体薄膜,水热温度控制在120-210oC,水热时间控制在1-12h;
(3)将步骤(2)制备出的Sb2S3薄膜,置于惰性气氛保护条件下,于250-550oC下恒温退火。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述的锑源为酒石酸锑钾,所述硫源为硫代硫酸钠。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述的惰性气氛为氮气和/或氩气气氛。
4.权利要求1-3所述的方法制备得到的Sb2S3半导体薄膜,其特征在于,其带隙在1.63-1.73eV之间。
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