一种Cu₂ZnSnS₄薄膜的电化学制备工艺

摘要

本发明涉及一种Cu2ZnSnS4薄膜的电化学制备工艺，是一种分步电化学沉积叠层制备工艺。具体过程包括：以钠钙玻璃为基底，首先在基底上采用射频(RF)磁控溅射方法溅射钼(Mo)金属作为前驱体，然后采用电化学体系分步层叠沉积Cu、Sn、Zn，制备铜锌锡(CZT)膜作为预制膜，最后将金属预制膜CZT放入石英炉内硫化及退火处理，得到Cu2ZnSnS4吸收层薄膜。该吸收层薄膜为直接带隙材料，其禁带宽度为1.5eV，是单结太阳能电池的最优带隙，光吸收系数＞104cm-1。

主权项

一种Cu2ZnSnS4薄膜的电化学制备工艺，其特征在于：采用射频磁控溅射方法，先在钠钙玻璃基底上溅射钼金属层，然后采用电化学体系分步在钼属层上依次层叠沉积Cu、Sn、Zn，得到铜锌锡膜，最后将铜锌锡膜进行硫化及退火处理，得到Cu2ZnSnS4吸收层薄膜，所述的工艺按以下步骤实施，(1)将尺寸为10mm×10mm的钠钙玻璃基底依次采用洗涤剂、蒸馏水、异丙酮及乙醇进行超声清洗10分钟，后用流量为0.1m3/h的氮气干燥5分钟；(2)用聚四氟乙烯掩膜钠钙玻璃基底边缘，在基底上采用射频磁控溅射沉积1μm厚的钼层前驱体；(3)用去离水和纯度为99.99wt％的金属盐分别配制A、B、C三种电解液，A电解液为含1.5摩尔氢氧化钠、50毫摩尔氯化铜和0.1摩尔山梨醇的碱性溶液；B电解液为含0.15摩尔氯化锌，并经氢离子缓冲pH值为3的溶液；C电解液为含2.25摩尔氢氧化钠，55毫摩尔氯化锡和0.1摩尔山梨醇的碱性溶液；(4)采用工作电极、对电极和参比电极三电极电化学体系，以制备好的钼层前驱体作为工作电极、铂金片作为对电极、Ag|AgCl作为参比电极，分步依次在三种配制好的电解液A、B、C中沉积Cu、Zn、Sn层，沉积过程采用20稳压器恒电位方式，在室温下无搅拌进行，每一种金属的沉积量通过监测沉积电荷量来控制，第一步：以钼层前驱体作为工作电极，在电镀液A中沉积Cu层，Cu沉积的化学电势为‑1.14V，时间为50‑60min；第二步：在电解液B中沉积Zn层，Zn沉积的化学电势为‑1.20V，时间45‑50min；第三步：在电解液C中沉积Sn层，Sn沉积的化学电势为‑1.21V，时间40‑50min；(5)用去离子水清洗沉积金属预制膜，并用流量为0.1m3/h的氮气干燥30分钟；(6)将金属预制膜CZT放入石墨容器内，并放入纯度为99.999wt％的固态硫源，然后放入石英炉管内，在3×10‑3Pa的真空状态下加热至100℃除去表面的水迹；(7)往石英炉内充入1巴压强的氩气，以40℃.min‑1的速度梯度将金属预制膜CZT加热至550℃，并维持550℃炉温2小时；(8)用流量为0.1m3/h的氮气清冼炉管30分钟，取出金属预制膜样品然冷却至室温，得到2μm厚的Cu2ZnSnS4(CZTS)薄膜成品。