CN106910797A - 氧化锌基底诱导取向生长硒化锑薄膜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氧化锌基底诱导取向生长的硒化锑薄膜的方法,其特征在于,该方法是以特定取向的氧化锌基底诱导生长具有择优取向方向的硒化锑薄膜;当氧化锌基底为(100)取向时,诱导生长出的硒化锑薄膜是以<221>方向为主导生长取向;当氧化锌基底为(002)取向时,诱导生长出的硒化锑薄膜是以<120>方向为主导生长取向。本发明中的方法可应用于硒化锑薄膜太阳能电池的制备,得到相应的硒化锑薄膜太阳能电池。本发明通过对硒化锑薄膜制备工艺中关键的基底种类及其内部结构等进行改进,与现有技术相比,能够对生长的硒化锑薄膜其取向灵活调整,同时不依赖于硒化锑的沉积的基底温度。
Description
技术领域
本发明属于光电材料及薄膜太阳能电池制备领域,更具体地,涉及一种氧化锌基底诱导取向生长的硒化锑薄膜的方法,该方法可应用于硒化锑薄膜太阳能电池的制备,从而获得硒化锑薄膜为特定生长取向的硒化锑薄膜太阳能电池。
背景技术
硒化锑(Sb2Se3)作为一种极具潜力的薄膜光伏吸收层材料,其组成为简单的二元化合物,合适的禁带宽度(~1.2eV),较高的吸光系数(短波吸光系数>105cm-1),另外,锑和硒元素为低毒高储量元素。然而近些年才陆续有关于硒化锑薄膜太阳能电池的国际文献报道。
硒化锑作为一种典型的一维链状材料,其在各个方向的迁移率存在着显著的区别,这将导致载流子在各个方向上的传输存在着千差万别。对于太阳能电池而言,迁移率直接决定着其扩散长度,影响着载流子分离与传输。因此对于硒化锑这种一维链状材料而言,取向很大程度决定着硒化锑薄膜太阳能电池的能量转换效率。专利文献1(CN 106129143A)记载了一种高取向性硒化锑薄膜及其制备方法,该发明提供了一种金属锑后硒化的方法,实现了<002>取向的硒化锑。
目前已有文献报道在硫化镉基底上通过快速热蒸发的方法生长硒化锑薄膜,并证明<221>取向的生长的硒化锑相比较于<120>取向的表现出更好的能量转换效率,集中表现为载流子传输方面的提高。然而却只有在基底温度为300℃时硒化锑才表现出<221>取向,而当基底达到350℃时,硒化锑则是很强的<120>取向生长。这对于晶体的生长是一个极大的限制,若能够解决取向不随温度变化的改变的问题,对于硒化锑太阳能电池的发展将是极大的推动。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求,本发明的目的在于提供一种氧化锌基底诱导取向生长硒化锑薄膜及相应硒化锑薄膜太阳能电池的方法,其中通过对硒化锑薄膜制备工艺中关键的基底种类及其内部结构等进行改进,与现有技术相比,能够在不改变硒化锑沉积温度的前提下,即可对生长的硒化锑薄膜其取向灵活调整,得到两类不同取向的硒化锑薄膜;并且,硒化锑薄膜的取向生长对于氧化锌基底的依赖远大于对于温度的依赖,能够在不依赖于硒化锑的沉积的基底温度的情况下,对生长的硒化锑薄膜其取向灵活调整;这使得本发明得出的结论能够从侧面反映了硒化锑<221>、硒化锑<120>两者基于晶体生长动力学的竞争生长机制,为硒化锑薄膜晶体生长动力学的研究提供了新的实验证据。
为实现上述目的,按照本发明的一个方面,提供了一种氧化锌基底诱导取向生长的硒化锑薄膜的方法,其特征在于,该方法是以特定取向的氧化锌基底诱导生长具有择优取向方向的硒化锑薄膜;所述特定取向的氧化锌基底为(100)取向的氧化锌基底、或(002)取向的氧化锌基底;
当所述特定取向的氧化锌基底为(100)取向的氧化锌基底时,诱导生长出的所述具有择优取向方向的硒化锑薄膜是以<221>方向为主导生长取向;
当所述特定取向的氧化锌基底为(002)取向的氧化锌基底时,诱导生长出的所述具有择优取向方向的硒化锑薄膜是以<120>方向为主导生长取向;
其中,所述(100)取向的氧化锌基底,其X射线衍射曲线中,ZnO(100)对应的衍射峰最高强度不小于ZnO(002)对应的衍射峰最高强度的60%;
所述(002)取向的氧化锌基底,其X射线衍射曲线中,ZnO(002)对应的衍射峰强度最高,且ZnO(100)对应的衍射峰最高强度不大于ZnO(002)对应的衍射峰最高强度的8%。
按照本发明的另一方面,本发明提供了一种氧化锌基底诱导取向生长的硒化锑薄膜的方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)利用喷涂热解的方法在第一基底上沉积氧化锌薄膜:采用硝酸锌浓度为0.1~0.4mol L-1的硝酸锌水溶液作为喷涂前驱体,控制前驱体流量为1-3mL min-1,喷枪气压为1.5kPa-2.0kPa,基板温度为380~420℃,退火温度为450~550℃,退火时间为15-25min或50-70min,得到覆盖有(100)取向或(002)取向的氧化锌薄膜的基底;
(2)采用快速热蒸发的方式在所述步骤(1)得到的覆盖有特定取向的氧化锌薄膜的基底上继续沉积硒化锑薄膜,从而获得相应取向生长的硒化锑薄膜;
当所述步骤(2)是采用所述(100)取向的氧化锌薄膜时,所述硒化锑薄膜是以<221>方向为主导生长取向;
当所述步骤(2)是采用所述(002)取向的氧化锌薄膜时,所述硒化锑薄膜是以<120>方向为主导生长取向。
作为本发明的进一步优选,所述步骤(2)是利用硒化锑粉末作为蒸发源,控制真空度不超过0.5Pa,基底温度为275~350℃并维持不小于15min,接着将蒸发源的温度加热至550~570℃,控制蒸发时间为30~35s;所述硒化锑薄膜的厚度为400~600nm。
作为本发明的进一步优选,所述步骤(1)中,所述第一基底为透明导电玻璃;优选的,该透明导电玻璃为FTO或ITO。
按照本发明的又一方面,本发明提供了一种硒化锑薄膜太阳能电池,其特征在于,该硒化锑薄膜太阳能电池包括上述氧化锌基底诱导取向生长的硒化锑薄膜的方法制备得到的硒化锑薄膜;该硒化锑薄膜是以<221>方向为主导生长取向,或者是以<120>方向为主导生长取向。
按照本发明的再一方面,本发明提供了一种氧化锌基底诱导取向生长的硒化锑薄膜太阳能电池的方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)利用喷涂热解的方法在第一基底上沉积氧化锌薄膜:采用硝酸锌浓度为0.1~0.4mol L-1的硝酸锌水溶液作为喷涂前驱体,控制前驱体流量为1-3mL min-1,喷枪气压为1.5kPa-2.0kPa,基板温度为380~420℃,退火温度为450~550℃,退火时间为15-25min或50-70min,得到覆盖有(100)取向或(002)取向的氧化锌薄膜的基底;
(2)采用快速热蒸发的方式在所述步骤(1)得到的覆盖有特定取向的氧化锌薄膜的基底上继续沉积硒化锑薄膜,从而获得相应取向生长的硒化锑薄膜;
当所述步骤(2)是采用所述(100)取向的氧化锌薄膜时,所述硒化锑薄膜是以<221>方向为主导生长取向;
当所述步骤(2)是采用所述(002)取向的氧化锌薄膜时,所述硒化锑薄膜是以<120>方向为主导生长取向;
(3)在所述步骤(2)得到的所述硒化锑薄膜上沉积金电极,从而得到硒化锑薄膜为特定生长取向的硒化锑薄膜太阳能电池。
作为本发明的进一步优选,所述步骤(3)中,所述金电极的厚度为50-80nm;优选的,该金电极是通过热蒸发法沉积在所述硒化锑薄膜上的。
本发明所构思的以上技术方案,与现有技术相比,通过基底诱导的方式制备了不同取向的硒化锑薄膜及其太阳能电池,方法可靠,为取向生长提供了新的思路。同时硒化锑的取向单一依赖于基底的取向,不随基底温度的变化而改变,这对于制备晶粒尺寸不同的硒化锑薄膜是一种很好的方法,对于硒化锑薄膜太阳能电池的转换效率也是一种有效的改善。
本发明是以氧化锌基底诱导取向生长的硒化锑薄膜,氧化锌基底取向方向对硒化锑薄膜的择优取向方向具有诱导作用,当选用取向为(002)方向的ZnO作基底时,可以制备沿<120>方向生长的硒化锑薄膜;当选用取向方向为(100)的ZnO作基底,将诱导硒化锑沿<221>方向生长。硒化锑为一维链状材料,不同取向生长的硒化锑薄膜的载流子传输会有很大的差别;本发明通过控制氧化锌薄膜的取向(这些氧化锌薄膜可通过喷涂热解法制备得到),并使用这些氧化锌薄膜作为基底,通过例如快速热蒸发法,从而诱导生长出具有择优取向方向的硒化锑薄膜;本发明利用氧化锌基底的取向直接决定硒化锑的薄膜的取向,为硒化锑薄膜的生长动力学提供了新的思路,为特定取向硒化锑薄膜的制取提供了新方向,这将推动包括具有良好传输的和更高效率的硒化锑薄膜太阳能电池在内的硒化锑薄膜的应用。
本发明还进一步明确了硒化锑<221>、硒化锑<120>两者基于晶体生长动力学的竞争生长关系,对(100)取向的氧化锌基底、(002)取向的氧化锌基底两者各自的X射线衍射曲线中ZnO(100)对应的衍射峰、ZnO(002)对应的衍射峰相对强度所对应的氧化锌基底类型、以及后续诱导生长出的硒化锑薄膜其主导生长取向进行了明确的界定;当氧化锌基底的X射线衍射曲线中,ZnO(100)对应的衍射峰最高强度大于等于ZnO(002)对应的衍射峰最高强度的60%时(当然,也有可能X射线衍射曲线中就是ZnO(100)对应的衍射峰强度最高),该氧化锌基底为(100)取向,相应生长得到的硒化锑薄膜,其X射线衍射曲线中,Sb2Se3<221>对应的衍射峰强度最强,是以<221>方向为主导生长取向;当氧化锌基底的X射线衍射曲线中,ZnO(100)对应的衍射峰最高强度小于等于ZnO(002)对应的衍射峰最高强度的8%时,该氧化锌基底为(002)取向,相应生长得到的硒化锑薄膜,其X射线衍射曲线中,Sb2Se3<120>对应的衍射峰强度最强,是以<120>方向为主导生长取向。
本发明中采用基底上ZnO的取向来诱导控制硒化锑的取向,是借鉴于外延生长的理论,通过利用建立原子模型的匹配,结合生长动力学原理得到的,为硒化锑的取向生长提供了新的研究思路。利用氧化锌(100)非极性面暴露的Zn和O原子与硒化锑(221)面暴露的Se和Sb原子的结合的准外延生长机理,从而实现诱导生长;对于氧化锌(002)极性面暴露的Zn或者O原子,难以支撑准外延生长,一维链状硒化锑则遵循能量最低的生长动力学过程,趋于(120)方向生长。
本发明给出了这两类氧化锌基底(即,(100)取向的氧化锌基底、(002)取向的氧化锌基底)优选的制备工艺,即使用喷涂热解法,通过控制退火时间,从而沉积获得(100)取向或(002)取向的氧化锌薄膜。诸如磁控溅射法、化学水浴沉积法等,相对于比较容易得到(002)取向的氧化锌薄膜,这是由于(002)面的晶面能最小,自由生长更容易沿(002)面;而采用喷涂热解法,由于大量的晶种形成,很大程度上会抑制(002)面的生长,可以较为容易的实现各种取向生长的氧化锌,为我们的理论设计提供实验基础。
附图说明
图1为硒化锑薄膜太阳能电池的结构。
图2为(002)面和(100)面的取向的氧化锌的X射线衍射曲线。
图3为硒化锑沿<221>方向生长和<120>方向生长的X射线衍射曲线。
图4为不同基底温度下(100)诱导硒化锑生长的X射线衍射曲线。
图5为制备的不同取向的硒化锑薄膜太阳能电池的电流-电压曲线。
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,以下结合附图及实施例,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仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明涉及一种氧化锌基底诱导取向生长的硒化锑薄膜,所述的氧化锌基底,氧化锌择优(002)面诱导硒化锑沿<120>方向生长,氧化锌(100)面诱导硒化锑沿<221>方向生长;利用不同取向的氧化锌基底,可诱导生长不同取向的硒化锑薄膜。
上述氧化锌基底诱导取向生长的硒化锑薄膜的方法,具体步骤可包括:
第一步,利用喷涂热解的方法在FTO导电基底上制备氧化锌薄膜:所述的氧化锌薄膜的沉积工艺为,采用0.1-0.4mol L-1的硝酸锌水溶液作为喷涂前驱体,前驱体流量为1-3mL min-1,喷枪气压为1.5kPa-2.0kPa,基板温度为380~420℃,退火温度为450~550℃,退火时间为15-25min和50-70min,得到不同取向的氧化锌薄膜基底;
第二步,采用快速热蒸发的方式在不同取向氧化锌基底沉积硒化锑薄膜:所述的硒化锑薄膜的沉积工艺为,利用硒化锑粉末(纯度可以灵活调整,例如可以为99.999%的纯度)作为蒸发源,真空度不超过0.5Pa,基底温度可以为275℃到350℃的任意温度,维持不小于15min,以保证基底温度稳定在设定值,将蒸发源的温度加热至550~570℃,蒸发时间为30~35s,获得硒化锑的厚度范围:400-600nm。
另外,上述氧化锌基底诱导取向生长的硒化锑薄膜及其诱导生长方法,可应用于硒化锑薄膜太阳能电池的制备,得到ZnO层、Sb2Se3层均为特定取向的硒化锑薄膜太阳能电池。
以下为具体实施例
实施例1
实验过程:(1)用去离子水,丙酮,异丙醇,乙醇和去离子水依次清洗透明导电FTO玻璃各三十分钟,再用氮气枪吹干;(2)利用喷涂热解法在清洗干净的FTO基底上制备氧化锌薄膜,制备工艺为,喷涂过程将FTO放置在基板上,采用0.2mol L-1的硝酸锌水溶液作为喷涂前驱体,前驱体流量为2mL min-1,喷枪气压为1.75kPa,基板温度设置为400℃,喷涂完成后在500℃温度下退火20min,X射线衍射分析为随机取向,氧化锌(100)面的强度较强(ZnO(100)对应的衍射峰最高强度为ZnO(002)对应的衍射峰最高强度的60.5%,满足ZnO(100)对应的衍射峰最高强度不小于ZnO(002)对应的衍射峰最高强度的60%的要求);(3)利用快速热蒸发的方法制备硒化锑薄膜,制备工艺为,利用硒化锑粉末作为蒸发源,真空度0.5Pa,设置基底温度300℃,维持15min,将蒸发源的温度加热至570℃,蒸发时间为35s,X射线衍射分析结果是硒化锑以<221>取向占主导;(4)蒸镀金属电极,测试所制备的太阳能电池效率。所得到的硒化锑太阳能电池的能量转换效率为5.16%,其中VOC为363mV,JSC为28.32mA cm-1,FF为50.2%。
实施例2
实验过程:(1)用去离子水,丙酮,异丙醇,乙醇和去离子水依次清洗透明导电FTO玻璃各三十分钟,再用氮气枪吹干;(2)利用喷涂热解法在清洗干净的FTO基底上制备氧化锌薄膜,制备工艺为,喷涂过程将FTO放置在基板上,采用0.2mol L-1的硝酸锌水溶液作为喷涂前驱体,前驱体流量为2mL min-1,喷枪气压为1.75kPa,基板温度设置为400℃,喷涂完成后在500℃温度下退火60min,X射线衍射分析为随机取向,氧化锌(002)面的强度较强(ZnO(002)对应的衍射峰强度最高,且ZnO(100)对应的衍射峰最高强度是ZnO(002)对应的衍射峰最高强度的7.2%,满足ZnO(100)对应的衍射峰最高强度不大于ZnO(002)对应的衍射峰最高强度的8%的要求);(3)利用快速热蒸发的方法制备硒化锑薄膜,制备工艺为,利用硒化锑粉末作为蒸发源,真空度0.5Pa,设置基底温度300℃,维持15min,将蒸发源的温度加热至570℃,蒸发时间为35s,X射线衍射分析结果是硒化锑以<120>取向占主导;(4)蒸镀金属电极,测试所制备的太阳能电池效率。所得到的硒化锑太阳能电池的能量转换效率为4.12%,其中VOC为361mV,JSC为22.78mA cm-1,FF为50.1%。
实施例3
实验过程:(1)用去离子水,丙酮,异丙醇,乙醇和去离子水依次清洗透明导电FTO玻璃各三十分钟,再用氮气枪吹干;(2)利用喷涂热解法在清洗干净的FTO基底上制备氧化锌薄膜,制备工艺为,喷涂过程将FTO放置在基板上,采用0.1mol L-1的硝酸锌水溶液作为喷涂前驱体,前驱体流量为1mL min-1,喷枪气压为1.5kPa,基板温度设置为380℃,喷涂完成后在450℃温度下退火20min,X射线衍射分析为随机取向,氧化锌(100)面的强度较强(ZnO(100)对应的衍射峰最高强度为ZnO(002)对应的衍射峰最高强度的70.6%,满足ZnO(100)对应的衍射峰最高强度不小于ZnO(002)对应的衍射峰最高强度的60%的要求);(3)利用快速热蒸发的方法制备硒化锑薄膜,制备工艺为,利用的硒化锑粉末作为蒸发源,真空度0.5Pa,设置基底温度275℃、300℃、325℃和350℃,维持16min,将蒸发源的温度加热至570℃,蒸发时间为35s,X射线衍射分析结果是所有温度下的硒化锑以<221>取向占主导(图4中275℃对应的X射线衍射曲线,其最强峰对应衬底,因此硒化锑还以<221>取向占主导)。
实施例4
实验过程:(1)用去离子水,丙酮,异丙醇,乙醇和去离子水依次清洗透明导电FTO玻璃各三十分钟,再用氮气枪吹干;(2)利用喷涂热解法在清洗干净的FTO基底上制备氧化锌薄膜,制备工艺为,喷涂过程将FTO放置在基板上,采用0.4mol L-1的硝酸锌水溶液作为喷涂前驱体,前驱体流量为3mL min-1,喷枪气压为2.0kPa,基板温度设置为420℃,喷涂完成后在550℃温度下退火15min和450℃温度下退火25min,X射线衍射分析为随机取向,氧化锌(100)面的强度较强(ZnO(100)对应的衍射峰最高强度为ZnO(002)对应的衍射峰最高强度的68.8%和61.2%,满足ZnO(100)对应的衍射峰最高强度不小于ZnO(002)对应的衍射峰最高强度的60%的要求);(3)利用快速热蒸发的方法制备硒化锑薄膜,制备工艺为,利用硒化锑粉末作为蒸发源,真空度0.5Pa,设置基底温度300℃,维持15min,将蒸发源的温度加热至550℃,蒸发时间为30s,X射线衍射分析结果是硒化锑以<221>取向占主导。
实施例5
实验过程:(1)用去离子水,丙酮,异丙醇,乙醇和去离子水依次清洗透明导电FTO玻璃各三十分钟,再用氮气枪吹干;(2)利用喷涂热解法在清洗干净的FTO基底上制备氧化锌薄膜,制备工艺为,喷涂过程将FTO放置在基板上,采用0.3mol L-1的硝酸锌水溶液作为喷涂前驱体,前驱体流量为2mL min-1,喷枪气压为1.75kPa,基板温度设置为400℃,喷涂完成后在550℃温度下退火50min和450℃温度下退火70min,X射线衍射分析为随机取向,氧化锌(002)面的强度较强(ZnO(002)对应的衍射峰强度最高,且ZnO(100)对应的衍射峰最高强度是ZnO(002)对应的衍射峰最高强度的分别为6.8%和7.9%,满足ZnO(100)对应的衍射峰最高强度不大于ZnO(002)对应的衍射峰最高强度的8%的要求);(3)利用快速热蒸发的方法制备硒化锑薄膜,制备工艺为,利用硒化锑粉末作为蒸发源,真空度0.5Pa,设置基底温度300℃,维持15min,将蒸发源的温度加热至560℃,蒸发时间为33s,X射线衍射分析结果是硒化锑均以<120>取向占主导。
本发明所采用的晶粒取向标记,满足晶体学相关符号的常规定义。本发明各个步骤所采用的制备工艺(如,喷涂热解法、快速热蒸发,还包括热蒸发法沉积金属电极等),其中未详细说明的参数、条件等,均可参考本领域的现有技术进行设置;喷涂热解法可采用改装后的makeblock公司的XY平动仪作为传动控制和美工喷笔(HD-130)作为喷枪,搭载空气压缩机和退火热台实现;快速热蒸发法可采用快速热蒸发管式炉(MTI,Hefei,China)。
本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种氧化锌基底诱导取向生长的硒化锑薄膜的方法,其特征在于,该方法是以特定取向的氧化锌基底诱导生长具有择优取向方向的硒化锑薄膜;所述特定取向的氧化锌基底为(100)取向的氧化锌基底、或(002)取向的氧化锌基底;
当所述特定取向的氧化锌基底为(100)取向的氧化锌基底时,诱导生长出的所述具有择优取向方向的硒化锑薄膜是以<221>方向为主导生长取向;
当所述特定取向的氧化锌基底为(002)取向的氧化锌基底时,诱导生长出的所述具有择优取向方向的硒化锑薄膜是以<120>方向为主导生长取向;
所述(100)取向的氧化锌基底,其X射线衍射曲线中,ZnO(100)对应的衍射峰最高强度不小于ZnO(002)对应的衍射峰最高强度的60%;
所述(002)取向的氧化锌基底,其X射线衍射曲线中,ZnO(002)对应的衍射峰强度最高,且ZnO(100)对应的衍射峰最高强度不大于ZnO(002)对应的衍射峰最高强度的8%。
2.一种氧化锌基底诱导取向生长的硒化锑薄膜的方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)利用喷涂热解的方法在第一基底上沉积氧化锌薄膜:采用硝酸锌浓度为0.1~0.4mol L-1的硝酸锌水溶液作为喷涂前驱体,控制前驱体流量为1-3mL min-1,喷枪气压为1.5kPa-2.0kPa,基板温度为380~420℃,退火温度为450~550℃,退火时间为15-25min或50-70min,得到覆盖有(100)取向或(002)取向的氧化锌薄膜的基底;
(2)采用快速热蒸发的方式在所述步骤(1)得到的覆盖有特定取向的氧化锌薄膜的基底上继续沉积硒化锑薄膜,从而获得相应取向生长的硒化锑薄膜;
当所述步骤(2)是采用所述(100)取向的氧化锌薄膜时,所述硒化锑薄膜是以<221>方向为主导生长取向;
当所述步骤(2)是采用所述(002)取向的氧化锌薄膜时,所述硒化锑薄膜是以<120>方向为主导生长取向。
3.如权利要求2所述氧化锌基底诱导取向生长的硒化锑薄膜的方法,其特征在于,所述步骤(2)是利用硒化锑粉末作为蒸发源,控制真空度不超过0.5Pa,基底温度为275℃~350℃并维持不少于15min,接着将蒸发源的温度加热至550~570℃,控制蒸发时间为30~35s;所述硒化锑薄膜的厚度为400~600nm。
4.如权利要求2所述氧化锌基底诱导取向生长的硒化锑薄膜的方法,其特征在于,所述步骤(1)中,所述第一基底为透明导电玻璃;优选的,该透明导电玻璃为FTO或ITO。
5.一种硒化锑薄膜太阳能电池,其特征在于,该硒化锑薄膜太阳能电池包括如权利要求1-4任意一项所述氧化锌基底诱导取向生长的硒化锑薄膜的方法制备得到的硒化锑薄膜;该硒化锑薄膜是以<221>方向为主导生长取向,或者是以<120>方向为主导生长取向。
6.一种氧化锌基底诱导取向生长的硒化锑薄膜太阳能电池的方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)利用喷涂热解的方法在第一基底上沉积氧化锌薄膜:采用硝酸锌浓度为0.1~0.4mol L-1的硝酸锌水溶液作为喷涂前驱体,控制前驱体流量为1-3mL min-1,喷枪气压为1.5kPa-2.0kPa,基板温度为380~420℃,退火温度为450~550℃,退火时间为15-25min或50-70min,得到覆盖有(100)取向或(002)取向的氧化锌薄膜的基底;
(2)采用快速热蒸发的方式在所述步骤(1)得到的覆盖有特定取向的氧化锌薄膜的基底上继续沉积硒化锑薄膜,从而获得相应取向生长的硒化锑薄膜;
当所述步骤(2)是采用所述(100)取向的氧化锌薄膜时,所述硒化锑薄膜是以<221>方向为主导生长取向;
当所述步骤(2)是采用所述(002)取向的氧化锌薄膜时,所述硒化锑薄膜是以<120>方向为主导生长取向;
(3)在所述步骤(2)得到的所述硒化锑薄膜上沉积金电极,从而得到硒化锑薄膜为特定生长取向的硒化锑薄膜太阳能电池。
7.如权利要求6所述氧化锌基底诱导取向生长的硒化锑薄膜太阳能电池的方法,其特征在于,所述步骤(3)中,所述金电极的厚度为50-80nm;优选的,该金电极是通过热蒸发法沉积在所述硒化锑薄膜上的。
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Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN107579123A (zh) * | 2017-08-31 | 2018-01-12 | 华中科技大学 | 一种硒化锑薄膜太阳能电池及其制备方法 |
CN110429145A (zh) * | 2019-08-09 | 2019-11-08 | 暨南大学 | 一种硒化锑薄膜太阳电池及其制备方法 |
CN110534591A (zh) * | 2019-08-21 | 2019-12-03 | 西北工业大学 | 一种硒化锑薄膜太阳能电池及制备方法 |
CN111560583A (zh) * | 2020-05-05 | 2020-08-21 | 东北电力大学 | 一种诱导(Sb4Se6)n分子链纵向生长的硒化锑光电薄膜制备方法 |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN104659123A (zh) * | 2013-11-25 | 2015-05-27 | 华中科技大学 | 化合物薄膜太阳能电池及其制备方法 |
CN106129143A (zh) * | 2016-07-01 | 2016-11-16 | 武汉光电工业技术研究院有限公司 | 一种高取向性硒化锑薄膜及其制备方法 |
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Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN104659123A (zh) * | 2013-11-25 | 2015-05-27 | 华中科技大学 | 化合物薄膜太阳能电池及其制备方法 |
CN106129143A (zh) * | 2016-07-01 | 2016-11-16 | 武汉光电工业技术研究院有限公司 | 一种高取向性硒化锑薄膜及其制备方法 |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN107579123A (zh) * | 2017-08-31 | 2018-01-12 | 华中科技大学 | 一种硒化锑薄膜太阳能电池及其制备方法 |
CN110429145A (zh) * | 2019-08-09 | 2019-11-08 | 暨南大学 | 一种硒化锑薄膜太阳电池及其制备方法 |
CN110534591A (zh) * | 2019-08-21 | 2019-12-03 | 西北工业大学 | 一种硒化锑薄膜太阳能电池及制备方法 |
CN111560583A (zh) * | 2020-05-05 | 2020-08-21 | 东北电力大学 | 一种诱导(Sb4Se6)n分子链纵向生长的硒化锑光电薄膜制备方法 |
CN111560583B (zh) * | 2020-05-05 | 2022-08-05 | 东北电力大学 | 一种诱导(Sb4Se6)n分子链纵向生长的硒化锑光电薄膜制备方法 |
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