电沉积法制备CuInS2薄膜

2010-01-05 李娟 复旦大学材料科学系

  本篇文章按照单步电积聚法和三步电积聚法在Mo基低上分离纯化CuInS2聚酰亚胺膜,用X放射性稀有化学元素衍射仪(XRD)和复印机扫描电子器件体视显微镜(SEM)定性分析了原辅料的框架和形貌,用人体脂肪散射仪(EDX)测试英文了原辅料中各稀有化学元素量。毕竟反映出,电积聚法分离纯化的原辅料,稀有化学元素氧原子比与积聚电势差增进有关系;单步伐分离纯化的聚酰亚胺膜原辅料,低密度弄平,金属材质晶粒长宽比1~2 μm,CuInS2尖晶石呈铜合金矿框架,而且包含CuS尖晶石;三步伐分离纯化的CuInS2聚酰亚胺膜为铜合金矿框架,无杂相,但聚酰亚胺膜的低密度弄平性不是单步伐。

  CuInS2是I–III–VI2族直接能隙半导体化合物,禁带宽度1.50 eV,对可见光的吸收系数高达105 cm-1数量级,以其作为太阳电池的光吸收层,厚度仅需l~2 μm,可极大地降低成本。据Meese J M等的理论计算,CuInS2薄膜太阳电池的光电转换效率理论值超过30%,实验室水平已达到12.5%,而且其抗干扰、抗辐射能力强,性能稳定,制成的光伏器件使用寿命长。因此,CuInS2是薄膜太阳电池光吸收层最有前途的材料之一。

  目前CuInS2薄膜的制备大致可以分为直接合成法和多步硫化法两种。直接合成法包括单源、双源或三源共蒸发法,原子层沉积法,离子层气相反应法,电化学法,喷雾热解法等,多步硫化法则须先用蒸发、溅射或电化学沉积等方法制备金属预置层,然后再对其进行硫化来制备CuInS2薄膜。但是上述的大多数方法都必须在高真空条件下进行,对实验条件和实验设备的要求苛刻,不利于低成本大规模生产。用电沉积法制备CuInS2薄膜则无需高真空条件,同时其具有可实现大面积制备、能源消耗少、成本低、系统稳定性好等优点。电沉积法制备CuInS2薄膜有单步法、两步法和多步法。目前对电沉积法制备CuInS2薄膜的研究较少,制备工艺也不成熟。单步电沉积法和两步电沉积法各有优劣,本文研究不同沉积电位对电沉积法制备CuInS2薄膜的影响,对比研究单步法和两步法制备CuInS2薄膜,探索电沉积法制备CuInS2薄膜的最佳工艺。

1、实验

  电沉积法制备CuInS2薄膜的电解池采用三电极体系,其中Mo 片(25mm×20mm×0.15mm)为工作电极,Pt电极为辅助电极,饱和甘汞电极(SCE)为参比电极,Mo 片经打磨-去离子水洗-20%wt 的NaOH 溶液煮沸清洗-电化学抛光处理。单步电沉积中电解液为10 mmol/L CuCl2,10mmol/L InCl3,50 mmol/L Na2S2O3 和200 mmol/LLiCl 的混合液,用稀盐酸调节电解液pH 至3.0。其中,CuCl2、InCl3、Na2S2O3 分别作为Cu 源、In 源和S 源,LiCl 既有络合剂的作用,又是合适的添加剂。电沉积过程采用恒压模式,保持工作电极与参比电极间的电压VSCE 恒定,常温下沉积,时间为30 min,沉积后的样品在低真空条件下350 oC 热处理60 min。两步电沉积法制备CuInS2 薄膜,电解液为10 mmol/L CuCl2,10 mmol/L InCl3 和200 mmol/L LiCl 的混合液,用稀盐酸调节电解液pH至2.5。沉积电位为-1.1 V vs.SCE,常温下沉积30 min,沉积后的样品在硫气氛中热处理,250℃和500℃温度下分别处理30 min。

  用XX射线衍射仪(Rigaku D/MAX-RB,Cu Kα λ=1.54056 Å/40 kV/60 mA)定性分析土样的结晶体结构特征,用扫描软件电子为了满足电子时代发展的需求,显微镜(SEM,JEOL JSM-6390)考察土样的微形貌,用养分散射仪(EDX,Bruker AXS Microanalysis Esprit 1.8)自测土样中各设计成分。

2、实验结果

图1 单步电基性岩状法各不相同的基性岩状电极电位差差下贴膜的XRD 图  图2 单步电基性岩状法各不相同的基性岩状电极电位差差下贴膜的In/Cu 氧原子比  图3 单步电基性岩状法各不相同的基性岩状电极电位差差下提纯贴膜的SEM 图   图1为不变的反应物液体浓度、液体pH值、形成沉淀积累时及热补救高温,提升形成沉淀积累电位差从-0.7 V到-1.0 V變化,用单步电形成沉淀积累法治建设备的保护膜的XRD图。   图2为不一样的积聚电势时聚酯薄膜中In/Cu水分子比。不断地积聚电势的上升,In/Cu水分子比呈波形上升。积聚电势为-0.8 V和-0.9 V时,In/Cu水分子比均在1.0火车站附近,其知他积聚电势下,In/Cu水分子比偏差1.0大,尤为在低电势前提下,In属性沉淀量远低于Cu。  工作操作主要采用的电生物组织体制以过饱和甘汞电级片为参比电级片,变换上班电级片相对比较于参比电级片的电流值VSCE,就变换了上班电级片内光电子无线的能量是什么。钛金属电极液与上班电级片当中会出现光电子无线传播的临界值电势与钛金属电极液中相对的生物化合物的规定电势有关。工作操作中,钛金属电极池内会出现体现的生物化合物的规定电势如式(1)~(3)如图: 

  由能斯特方程组推证出分析出电势体现式如式(4)如图是:

(4)

  在这当中E0为对于规定氢参比探针电势,n 为进行发生反应的阴阳正离子通电的荷数,F为法拉第常数,η为废材料阴阳正离子在阴正离子上面电的过电势,由参比探针全过程推动运动学各种因素相应有关于规格关键,α 为废材料阴阳正离子的差不多活度。   由式(1),(2)所知Cu 和In 二者之间的规则的电势想差过大,而分溶解电极电极电极电极电势差差差越正的金属制铝化合物越比较容易分溶解。Cu 氧分子的规则的电势远超出In 氧分子,当沉淀积累电极电极电极电极电势差差差较低时,Cu 的分溶解电极电极电极电极电势差差差超出In,Cu 氧分子更易分溶解,沉淀积累打样定制中Cu 氧分子分量远超出In。不断增强沉淀积累电极电极电极电极电势差差差,可增进阴化合物极化強度,由式(4)所知,分溶解电极电极电极电极电势差差差会伴随着时间的推移新增,变小差异氧分子分溶解电极电极电极电极电势差差差的对比。随着时间的推移沉淀积累电极电极电极电极电势差差差新增,In/Cu 氧分子比不断增强。软型电沉淀积累中,氧分子共沉淀积累的能力是差异铝化合物的分溶解电极电极电极电极电势差差差相同。为才能 很理想的配比的Cu、In 比重,缓解沉淀积累电流电压以修改阴化合物的极化強度,使差异氧分子的分溶解电极电极电极电极电势差差差靠近。本实验所中,沉淀积累电极电极电极电极电势差差差为-0.8 V 和-0.9 V 时,Cu 氧分子和In 氧分子的氧分子比靠近1.0,在该电极电极电极电极电势差差差细分淀积累,才能才能 合乎化工剂量比的CuInS2 复合膜,图1 如图的XRD 图还能说明怎么写此点。