一種窄帶隙的Sb2S3半導體薄膜的水熱制備方法技術

本發明專利技術涉及一種窄帶隙的Sb2S3半導體薄膜的水熱制備方法，溶液中含有摩爾比為10：（9?80）的酒石酸銻鉀和硫代硫酸鈉，溶液的pH值介于4?4.5之間，溶液經攪拌超聲后用水熱法在ITO玻璃基底上直接制備出了附著力良好的Sb2S3薄膜，然后在惰性氣氛保護條件下于250oC?550oC下恒溫，得到窄帶隙Sb2S3半導體薄膜。本發明專利技術提供的方法中新型鍍液對環境友好，直接在ITO玻璃基底上制備出來了Sb2S3半導體薄膜，并且其帶隙較窄，適合作為薄膜太陽能電池的吸收層材料。

【技術實現步驟摘要】
一種窄帶隙的Sb2S3半導體薄膜的水熱制備方法
本專利技術屬于光電材料領域，具體涉及可用作薄膜太陽能電池吸收層材料的窄帶隙的Sb2S3半導體薄膜的水熱制備方法。
技術介紹
Sb2S3是一種典型的過渡金屬硫族化合物，它是典型的V-VI族化合物，是一種非常重要的直接帶隙無機半導體。它的帶隙值為1.5eV~2.2eV，同時，Sb2S3在波長小于900nm的范圍內，呈現出較高的光吸收系數（α≈105cm-1）。Sb2S3對太陽光光譜的響應范圍較寬，體現出優異的光敏性能。作為一種很有潛力的半導體材料，Sb2S3因為具有上述的物理特性及半導體屬性，使其成為極具發展潛力的光電材料，這些優異的光電性能和熱電性能，促進了其在影像技術、開關器件、微波器件、熱電器件和光電器件太陽能電池等領域得到了越來越廣泛的應用。作為無機半導體薄膜太陽電池吸收層材料的Sb2S3半導體薄膜成為了近年來的研究熱點之一，將其用作吸收層材料，有利于提高電池的開路電壓、短路電流，從而提高光電轉化效率。目前，已報道的用于制備不同形貌的Sb2S3晶體的方法有很多，包括化學浴法、連續離子層吸附反應法、電沉積法、真空熱蒸發法、噴霧熱解法、溶劑熱法以及水熱法等等。其中，水熱法由于其重復性好、可操作性強等優點而得到了廣泛的應用和關注。但是已報道的水熱法制備Sb2S3材料存在以下缺點：1）制備的Sb2S3材料一般為粉末狀，在組裝太陽能電池的過程中還需要旋涂或者噴涂的方法，使其在基底上成膜；2）溶液體系中常用SbCl3提供Sb3+，但SbCl3很容易水解導致體系不穩定，所以需要額外加入一些以檸檬酸、酒石酸和EDTA等為代表的絡合劑或者以丙酮等為代表的有機溶劑來促進SbCl3的溶解，從而保證體系的穩定性，而這些溶劑對環境造成污染；3）溶液體系中常用硫代乙酰胺、硫脲為硫源，這些有機硫源在反應過程中均散發出刺激性很強的氨，對環境污染很大，造成工作環境惡劣。4）已有的水熱法制備的Sb2S3材料帶隙值高于太陽能電池吸收層的最優帶隙值1.5eV，使其對太陽光的吸收效率降低。雖然已有報道了Sb2S3半導體薄膜的化學浴制備方法，但是存在以下缺點：1）溶液用有機溶劑丙酮來溶解SbCl3，對環境污染大；2）制備出來的薄膜未達到均勻連續，降低了對太陽光的吸收效率；3）制備出來的薄膜帶隙值為2.30eV，大大高于太陽能電池吸收層的最優帶隙值1.5eV，不利于作為太陽能電池的吸收層材料。因此，為了得到高品質的無機半導體薄膜太陽能電池用窄帶隙Sb2S3半導體薄膜，必須研究一種新穎的溶液體系以及能夠直接成膜的方法。
技術實現思路
為了解決現有技術中存在的上述問題，本專利技術提供一種窄帶隙Sb2S3半導體薄膜的水熱制備方法。本專利技術采用如下技術方案，一種窄帶隙Sb2S3半導體薄膜的水熱制備方法，包括以下步驟：（1）配制溶液：在溶液中加入硫源和銻源，其中Sb3+和S2O32-的摩爾比為10：（9-80）的，溶液的pH值介于4-4.5之間；（2）在步驟（1）配制好的溶液經攪拌超聲后，用水熱法在ITO玻璃基底上直接制備Sb2S3半導體薄膜，水熱溫度控制在120-210oC，水熱時間控制在1-12h；（3）將步驟（2）制備出的Sb2S3薄膜，置于惰性氣氛保護條件下，于250-550oC下恒溫退火。在本專利技術的優選的實施方式中，所述的銻源為酒石酸銻鉀（KSbC4H4O7·1/2H2O），所述硫源為硫代硫酸鈉（Na2S2O3·5H2O）。在本專利技術的優選的實施方式中，所述的惰性氣氛為氮氣和/或氬氣氣氛。本專利技術還保護上述水熱制備方法制備得到的Sb2S3半導體薄膜，其帶隙在1.63-1.73eV之間。與現有技術相比較，本專利技術方法具有以下有益效果：1）本專利技術溶液中采用了一種新型的組合方式：用酒石酸銻鉀來取代傳統的SbCl3銻源，用硫代硫酸鈉來取代傳統的硫代乙酰胺、硫脲為硫源。不需要任何添加劑或有機溶劑即可得到均一、環境友好的溶液。通過對水熱制備方法工藝條件的精確控制，利用水熱制備方法制備出了Sb2S3半導體薄膜。2）在ITO玻璃基底上直接制備出了Sb2S3半導體薄膜，且薄膜均勻連續。3）本專利技術中得到的Sb2S3半導體薄膜經退火處理后變成了結晶性好、窄帶隙的Sb2S3半導體薄膜，適于用作無機半導體太陽能電池吸收層材料。附圖說明以下結合附圖對本專利技術作進一步說明：圖1：水熱法制備的Sb2S3半導體薄膜在250oC退火前后的X射線衍射圖；圖2：水熱法制備的Sb2S3半導體薄膜在250oC退火后的掃描電子顯微鏡照片；圖3：水熱法制備的Sb2S3半導體薄膜在250oC退火后的吸收光譜圖；圖4：水熱法制備的Sb2S3半導體薄膜在250oC退火后的(αhν)2-(hν)圖；圖5：水熱法制備的Sb2S3半導體薄膜在450oC退火后的X射線衍射圖；圖6：水熱法制備的Sb2S3半導體薄膜在450oC退火后的掃描電子顯微鏡照片；圖7：水熱法制備的Sb2S3半導體薄膜在450oC退火后的吸收光譜圖；圖8：水熱法制備的Sb2S3半導體薄膜在450oC退火后的(αhν)2-(hν)圖。具體實施方式為了使本專利技術的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，對本專利技術進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本專利技術，而不構成對本專利技術的限制。實施例11）依次稱取0.334gKSbC4H4O7·1/2H2O，0.496gNa2S2O3·5H2O（所用試劑均為分析純，摩爾比為10:20）溶于100mL水溶液中，攪拌均勻后超聲5min。2）將步驟1）中配制的溶液轉移到水熱釜的聚四氟乙烯內膽中，以預處理后的ITO玻璃為基底，將其導電面朝下，斜放在聚四氟乙烯內膽中。把水熱釜和聚四氟乙烯內膽密封后，將水熱釜的溫度控制在150oC，水熱時間控制在8h，得到附著力良好的橙紅色Sb2S3半導體薄膜。圖1的X射線衍射結果表明該薄膜僅有微弱的Sb2S3的衍射峰，表明其結晶性較差的結構。3）在氬氣保護條件下，將上述的Sb2S3半導體薄膜置于管式爐內在250oC下恒溫60min后，將薄膜取出。圖1的X射線衍射結果表明得到的是純凈的正交晶系的Sb2S3薄膜。圖2的掃描電鏡照片表明得到的薄膜是均勻連續的。圖3的吸收光譜結果表明得到的薄膜在可見光區具有良好的吸光性。根據圖4的(αhν)2-(hν)結果可見得到的薄膜帶隙為1.73eV，可較好地滿足太陽能電池對吸收層材料的要求。實施例21）依次稱取0.334gKSbC4H4O7·1/2H2O，0.496gNa2S2O3·5H2O（所用試劑均為分析純，摩爾比為10:20）溶于100mL水溶液中，攪拌均勻后超聲5min。2）將步驟1）中配制的溶液轉移到水熱釜的聚四氟乙烯內膽中，以預處理后的ITO玻璃為基底，將其導電面朝下，斜放在聚四氟乙烯內膽中。把水熱釜和聚四氟乙烯內膽密封后，將水熱釜的溫度控制在150oC，水熱時間控制在8h，得到附著力良好的橙紅色Sb2S3半導體薄膜。3）在氬氣保護條件下，將上述的Sb2S3半導體薄膜置于管式爐內在450oC下恒溫60min后，將薄膜取出。圖5的X射線衍射結果表明得到的是由正交晶系和不常見的Sb2S3未命名相組成的混合相Sb2S3薄膜。圖6的掃描電鏡照片表明得到的薄膜是均勻連續本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種窄帶隙Sb2S3半導體薄膜的水熱制備方法，其特征在于，包括以下步驟：（1）配制溶液：在溶液中加入硫源和銻源，其中Sb3+和S2O32?的摩爾比為10：（9?80）的，溶液的pH值介于4?4.5之間；（2）在步驟（1）配制好的溶液經攪拌超聲后，用水熱法在ITO玻璃基底上直接制備Sb2S3半導體薄膜，水熱溫度控制在120?210?oC，水熱時間控制在1?12?h；（3）將步驟（2）制備出的Sb2S3薄膜，置于惰性氣氛保護條件下，于250?550?oC下恒溫退火。

【技術特征摘要】
1.一種窄帶隙Sb2S3半導體薄膜的水熱制備方法，其特征在于，包括以下步驟：（1）配制溶液：在溶液中加入硫源和銻源，其中Sb3+和S2O32-的摩爾比為10：（9-80）的，溶液的pH值介于4-4.5之間；（2）在步驟（1）配制好的溶液經攪拌超聲后，用水熱法在ITO玻璃基底上直接制備Sb2S3半導體薄膜，水熱溫度控制在120-2...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王峰，劉萌，貢永帥，李志林，竇美玲，劉景軍，吉靜，
申請(專利權)人：北京化工大學，
類型：發明
國別省市：北京;11