CN109898053A - 一种iii-vi族异质结太阳能电池材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种III‑VI族异质结太阳能电池材料的制备方法，其是将K9玻璃作为基片衬底作为阳极，以块体材料作为靶材放在阴极，在Ar气保护下于一定功率开始溅射沉积。溅射结束在基片衬底上沉积一层薄膜后，更换靶材材料，进行第二次沉积。最后将玻璃基片置于无水乙醇和去离子水中前后清洗去除杂质后，干燥即可得到所述的片状III‑VI族异质结太阳能电池材料。本发明具有制备工艺简单，可重复性强，成品率高，成本低等优点，从而可用于太阳能电池电极材料，促进能源问题的解决。
Description
技术领域
本发明涉及二维材料范德华异质结的制备领域，具体涉及一种III-VI族异质结太阳能电池材料的制备方法。
背景技术
近年来，随着全球气候变化、矿物燃料开采的影响，资源枯竭和能源短缺成为最紧迫的环境问题，因此为未来寻求可再生能源成为现今需要加以解决的挑战。在可再生能源中，太阳能是地球上最丰富的自然资源。太阳能是通过将太阳光转换为热能或电能而产生的，且易开发、清洁、持久、可靠，这些优势使得太阳能逐渐成为满足世界日益增长的能源需求的关键因素。硅是准金属元素，其能隙值为1.16eV,单晶硅和多晶硅可作为太阳能光伏技术而被广泛运用。而自石墨烯等二维材料相继发现以来，二维材料半导体其具有的类似于硅的能隙特征而在光伏器件领域也展示出了很大的运用前景。二维III-VI族化合物，一般化学式为MX（M=In、Ga，X=S、Se、Te），具有独特的电子和光伏特性，晶体结构相同为六方晶体结构。为了提高二维MX作为太阳能电池稳定性，光能转换效率等，逐渐发展的纳米技术为此提供的可能，构建层状结构的范德瓦尔斯异质结，将两种单层材料的物理性质相互结合是一种有效途径。通过采用基于密度泛函的第一性原理理论计算，筛选到具有良好稳定性、光伏特性的InS/GaTe和GaSe/GaTe异质结，最后利用可控的低维材料制备技术，实现上述异质结的制备。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种方便快捷、产品质量及纯度高的III-VI族异质结太阳能电池材料将其制备方法，旨在通过异质结的搭建，提高二维材料的光吸收以及光转换特性。
本发明的技术方案如下：
一种III-VI族异质结太阳能电池材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）取一定大小的K9玻璃作为基片衬底，用加清洁剂的去离子水清洗干净之后，依次用丙酮、无水乙醇、去离子水各超声清洗10min，然后烘干；
（2）将K9玻璃基片放在沉积室内的阳极上，对应的块体材料InS或GaSe作为靶材放在阴极上，两者之间相距70～80mm；
（3）将沉积室抽真空至5～10×10-3Pa后，加入高纯度的Ar气作为溅射气体使腔室内压力稳定在1～5Pa，Ar气体流量设定为30～40mL/min;
（4）开冷却水，然后开始溅射沉积，设定溅射功率50～150W，电源电压50～100V；
（5）溅射结束后，自然冷却并开启阀门，更换块体材料GaTe作为靶材；
（6）重复步骤(3)～(4),直至沉积结束；
（7）将玻璃基片取出放在无水乙醇和去离子水中前后清洗去除杂质后，于60～80℃下干燥3～5小时，即可得到InS/GaTe或GaSe/GaTe异质结太阳能电池材料。
步骤(1)中的丙酮、无水乙醇体积浓度均达98%。
块体材料InS、GaSe、GaTe的纯度达99.99%。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1. 本发明溅射过程保持在一定温度，一定高压下进行，能够保证溅射沉积后基片薄膜的高纯度以及高质量，且操作过程简单可控。
2. 本发明通过磁控溅射得到异质结薄膜样品，薄膜厚度可有溅射时间及溅射功率精确控制，可重复性强，成品率高，成本较低，适用于工业化大规模生产。
附图说明
图1为磁控溅射沉积法制备III-VI族异质结原理图；
图2为所得InS/GaTe（a）和GaSe/GaTe（b）异质结的XRD图；
图3为所得InS/GaTe异质结的扫描电镜图；
图4为所得InS/GaTe和GaSe/GaTe异质结太阳能电池材料的折射系数图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明不仅仅局限于这些实施例。
实施例1
一种III-VI族异质结太阳能电池材料的制备方法，包括以下步骤：
(1) 取一定大小的K9玻璃作为基片衬底，用加清洁剂的去离子水清洗干净之后，依次用丙酮、无水乙醇、去离子水各超声清洗10min，然后烘干；
(2) 将K9玻璃基片放在沉积室内的阳极上，对应的块体材料InS作为靶材放在阴极上，两者之间相距70mm；
(3) 将沉积室抽真空至5×10-3Pa后，加入高纯度的Ar气作为溅射气体使腔室内压力稳定在1Pa左右，Ar气体流量设定为30mL/min;
(4) 开冷却水，然后开始溅射沉积，设定溅射功率50W，电源电压50V；
(5) 溅射结束后，自然冷却并开启阀门，更换靶材GaTe；
(6) 重复步骤(3)～(4),直至沉积结束；
(7) 将玻璃基片取出放在无水乙醇和去离子水中前后清洗去除杂质后，于60℃下干燥3小时，即可得到所述InS/GaTe异质结太阳能电池材料。
实施例2
一种III-VI族异质结太阳能电池材料的制备方法，包括以下步骤：
(1) 取一定大小的K9玻璃作为基片衬底，用加清洁剂的去离子水清洗干净之后，依次用丙酮、无水乙醇、去离子水各超声清洗10min，然后烘干；
(2) 将K9玻璃基片放在沉积室内的阳极上，对应的块体材料InS作为靶材放在阴极上，两者之间相距76mm；
(3) 将沉积室抽真空至8×10-3Pa后，加入高纯度的Ar气作为溅射气体使腔室内压力稳定在4Pa左右，Ar气体流量设定为36mL/min;
(4) 开冷却水，然后开始溅射沉积，设定溅射功率100W，电源电压75V；
(5) 溅射结束后，自然冷却并开启阀门，更换靶材GaTe；
(6) 重复步骤(3)～(4),直至沉积结束；
(7) 将玻璃基片取出放在无水乙醇和去离子水中前后清洗去除杂质后，于60℃下干燥5小时，即可得到所述InS/GaTe异质结太阳能电池材料。
实施例3
一种III-VI族异质结太阳能电池材料的制备方法，包括以下步骤：
(1) 取一定大小的K9玻璃作为基片衬底，用加清洁剂的去离子水清洗干净之后，依次用丙酮、无水乙醇、去离子水各超声清洗10min，然后烘干；
(2) 将K9玻璃基片放在沉积室内的阳极上，对应的块体材料GaSe作为靶材放在阴极上，两者之间相距80mm；
(3) 将沉积室抽真空至10×10-3Pa后，加入高纯度的Ar气作为溅射气体使腔室内压力稳定在5Pa左右，Ar气体流量设定为40mL/min;
(4) 开冷却水，然后开始溅射沉积，设定溅射功率150W，电源电压100V；
(5) 溅射结束后，自然冷却并开启阀门，更换靶材GaTe；
(6) 重复步骤(3)～(4),直至沉积结束；
(7) 将玻璃基片取出放在无水乙醇和去离子水中前后清洗去除杂质后，于80℃下干燥4小时，即可得到所述GaSe/GaTe异质结太阳能电池材料。
实施例4
一种III-VI族异质结太阳能电池材料的制备方法，包括以下步骤：
(1) 取一定大小的K9玻璃作为基片衬底，用加清洁剂的去离子水清洗干净之后，依次用丙酮、无水乙醇、去离子水各超声清洗10min，然后烘干；
(2) 将K9玻璃基片放在沉积室内的阳极上，对应的块体材料InS作为靶材放在阴极上，两者之间相距75mm；
(3) 将沉积室抽真空至8×10-3Pa后，加入高纯度的Ar气作为溅射气体使腔室内压力稳定在5Pa左右，Ar气体流量设定为35mL/min;
(4) 开冷却水，然后开始溅射沉积，设定溅射功率120W，电源电压80V；
(5) 溅射结束后，自然冷却并开启阀门，更换靶材GaTe；
(6) 重复步骤(3)～(4),直至沉积结束；
(7) 将玻璃基片取出放在无水乙醇和去离子水中前后清洗去除杂质后，于70℃下干燥5 小时，即可得到所述InS/GaTe异质结太阳能电池材料。
实施例5
一种III-VI族异质结太阳能电池材料的制备方法，包括以下步骤：
(1) 取一定大小的K9玻璃作为基片衬底，用加清洁剂的去离子水清洗干净之后，依次用丙酮、无水乙醇、去离子水各超声清洗10min，然后烘干；
(2) 将K9玻璃基片放在沉积室内的阳极上，对应的块体材料GaSe作为靶材放在阴极上，两者之间相距72mm；
(3) 将沉积室抽真空至9×10-3Pa后，加入高纯度的Ar气作为溅射气体使腔室内压力稳定在3Pa左右，Ar气体流量设定为38mL/min;
(4) 开冷却水，然后开始溅射沉积，设定溅射功率80W，电源电压60V；
(5) 溅射结束后，自然冷却并开启阀门，更换靶材GaTe；
(6) 重复步骤(3)～(4),直至沉积结束；
(7) 将玻璃基片取出放在无水乙醇和去离子水中前后清洗去除杂质后，于80℃下干燥5小时，即可得到所述GaSe/GaTe异质结太阳能电池材料。
图2为实施例1制备的InS/GaTe（a）和实施例3制备的GaSe/GaTe（b）异质结太阳能电池材料的XRD图。由图2中（a）可以看出衍射峰是由InS和GaTe两个物相组成，图2中（b）与（a）对比表明衍射峰存在的差异，进而说明了InS到GaSe的物相转变。
图3为实施例1制备的InS/GaTe异质结太阳能电池材料的扫描电镜图。由图3形貌可以看出，所获得的InS/GaTe异质结太阳能电池材料呈现出二维片状结构，且表面光滑平整，有利于提高材料的光吸收以及光转换效率。
图4为实施例4制备的InS/GaTe和实施例5制备的GaSe/GaTe异质结太阳能电池材料的折射系数图。由图4可看出在可见光范围折射系数均较大，这间接说明了InS/GaTe和GaSe/GaTe异质结太阳能电池材料具有优异的光吸收特性。
表1为单层的III-VI族化合物和III-VI族化合物异质结的光转换效率
由表1可得，相比于对应的单层物质，异质结的搭建有利于光转换效率的提高，因此InS/GaTe和GaSe/GaTe异质结在太阳能电池材料领域有应用可能性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属于本发明的涵盖范围。
Claims (3)
1.一种III-VI族异质结太阳能电池材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）取一定大小的K9玻璃作为基片衬底，用加清洁剂的去离子水清洗干净之后，依次用丙酮、无水乙醇、去离子水各超声清洗10min，然后烘干；
（2）将K9玻璃基片放在沉积室内的阳极上，对应的块体材料InS或GaSe作为靶材放在阴极上，两者之间相距70～80mm；
（3）将沉积室抽真空至5～10×10-3Pa后，加入高纯度的Ar气作为溅射气体使腔室内压力稳定在1～5Pa，Ar气体流量设定为30～40mL/min;
（4）开冷却水，然后开始溅射沉积，设定溅射功率50～150W，电源电压50～100V；
（5）溅射结束后，自然冷却并开启阀门，更换块体材料GaTe作为靶材；
（6）重复步骤(3)～(4),直至沉积结束；
（7）将玻璃基片取出放在无水乙醇和去离子水中前后清洗去除杂质后，于60～80℃下干燥3～5小时，即可得到InS/GaTe或GaSe/GaTe异质结太阳能电池材料。
2.如权利要求1所述一种III-VI族异质结太阳能电池材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中的丙酮、无水乙醇的体积浓度均达98%。
3.如权利要求1所述一种III-VI族异质结太阳能电池材料的制备方法，其特征在于：块体材料InS、GaSe、GaTe的纯度达99.99%。
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