CN102637777A

CN102637777A - 一种太阳电池光吸收层Cu2O纳米薄膜的化学制备工艺

Info

Publication number: CN102637777A
Application number: CN2012101361474A
Authority: CN
Inventors: 杨培志; 自兴发; 杨雯; 彭柳军; 邓双; 化麒麟; 冷天玖
Original assignee: Yunnan Normal University
Current assignee: Yunnan Normal University
Priority date: 2012-05-04
Filing date: 2012-05-04
Publication date: 2012-08-15

Abstract

本发明提供了一种太阳电池光吸收层Cu₂O纳米薄膜的化学制备工艺，属于光伏电池技术领域，通过电化学沉积制备工艺制备出纳米级Cu₂O，使其光生载流子的平均扩散时间就会减小到1/102~1/106,复合几率大大减小，从而提高太阳光的利用率，采用以下技术手段：具体步骤包括：A、RF射频磁控溅射沉积氧化锌（ZnO）层制备前驱体；B、电化学沉积氧化亚铜(Cu₂O)薄膜；C、氧化亚铜(Cu₂O)薄膜样品退火处理。

Description

一种太阳电池光吸收层Cu2O纳米薄膜的化学制备工艺

技术领域：

本发明涉及一种太阳电池光吸收层薄膜材料的制备工艺，属于光伏电池技术领域。

背景技术：

氧化亚铜(Cu₂O)是最早被发现的半导体材料之一，由于其无毒、制备成本低、材料广泛易得等优点，受到了众多研究者的重视。Cu₂O是具有立方结构的直接带隙半导体材料，其禁带宽度约为2.17eV，能被波长为800~ 400nm 的可见光激发。多晶态的Cu₂O可反复利用而不会被还原为Cu(O)或氧化成Cu(Ⅱ)，即稳定性很好，因此Cu₂O是一种应用潜力很大的半导体材料，它被广泛地应用于各种领域，如，太阳电池、高效光化学电池光电极、磁器件和光催化等。尤其是在太阳电池上，根据制备条件的不同电阻率可在10³～10¹³Ω.cm 范围内变化，可见光范围的吸收系数较高，它的理论转化效率可达20％，这使得它作为薄膜异质结电池的吸收层成为了可能，但是至今为止其光电转换效率较低。

Cu₂O是一种典型的P型半导体材料，目前，实现它的n型掺杂还很困难，因而也难以制备Cu₂O同质结电池，但Cu₂O可与其它材料形成具有Schottky势垒或异质结的Cu₂O太阳能电池，例如Cu₂O／Cu的Schottky势垒电池、Cu₂O／ZnO和Cu₂O／CdS的异质结电池。Cu₂O薄膜材料的制备方法公知的有真空热蒸发、化学氧化、热氧化、溅射、化学气相沉积和电化学沉积等。Cu₂O薄膜材料的制备仍面临着许多问题和困难，Cu₂O 薄膜相成分和形貌的影响还不是很清楚, 制得的Cu₂O粒径较大( 微米级) 。微米级Cu₂O中光生载流子的扩散距离太长, 往往来不及到表面就复合了, 因此光电转换效率较低。但是如果粒径从微米级减小到纳米级, 光生载流子的平均扩散时间就会减小到1/10² ~ 1/10⁶ , 复合几率也会大大减小, 从而导致太阳光利用率的提高。因此, 纳米Cu₂O薄膜的制备对于提高太阳能利用效率是一个关键因素。专利（申请号：200310112821）采用将金属铜阳极在含有乙腈与四氢呋喃的电解液中电解生成的氧化亚铜，制得的氧化亚铜在400～600℃氮气保护煅烧。此方法工艺中电解液含有毒成份，同时需高温处理，在太阳电池制备上存在不利条件。

发明内容：

为解决背景技术提出的问题，本发明的目的在于提供一种太阳电池光吸收层Cu₂O纳米薄膜的化学制备工艺，通过电化学沉积制备工艺制备出纳米级Cu₂O，使其光生载流子的平均扩散时间就会减小到1/10² ~ 1/10⁶ , 复合几率大大减小，从而提高太阳光的利用率。

为实现上述目的，本发明采用以下技术手段：具体步骤包括：

A、RF射频磁控溅射沉积氧化锌（ZnO）层制备前驱体：将氧化铟锡（ITO）导电玻璃基底先用洗涤剂进行清洗，再采用丙酮超声清洗，后用去离水进行清洗，最后在密封干净的干燥箱中烘干；用RF射频磁控溅射在基底溅射氧化锌（ZnO）层制备前驱体；

B、电化学沉积氧化亚铜(Cu₂O)薄膜：配制硫酸铜(CuSO4)、乳酸钠(CH3CH(OH)·COONa)的混合液；在混合液加入氢氧化钠(NaOH)，将溶液的pH值调整为12；采用三电极电化学体系，即一个铂金对电极和Ag|AgCl参比电极，用于沉积氧化亚铜(Cu2O)薄膜，制备氧化亚铜(Cu2O)薄膜样品；

C、氧化亚铜(Cu₂O)薄膜样品退火处理：将沉积样品置于石英炉内，往石英炉内充入氮气，按一定的速度梯度将样品加热至恒温，并维持一段时间，最后取出样品自然冷却至室温。

所述步骤B中电化学沉积所用混合液中的硫酸铜：乳酸钠的摩尔比=1:12.5；

所述步骤C中氧化亚铜(Cu₂O)薄膜样品退火处理充入的氮气流量为0.1m3/h；所述温度梯度为60℃min^-1，加热至180℃，并维持30min。

本发明与公知技术相比具有的优点及积极的有益效果：

a．本发明的电化学沉积采用恒电位方式，无需搅拌，沉积量可通过监测沉积电荷量来控制，操作简单、并能大面积沉积；

b. 本发明通过控制溶液温度和衬底, 能实现薄膜结构和厚度的可控生长、成本低、纯度高，实验测定，氧化亚铜(Cu₂O)薄膜具有纳米晶结构，晶粒尺寸为80-150nm。

附图说明：

图1为本发明提供的氧化亚铜(Cu₂O)薄膜制备工艺流程图。

图2为本发明提供的氧化亚铜(Cu₂O) 薄膜电化学沉积装置示意图。图中1为工作电极；2为氧化锌（ZnO）层前驱体；3为电解液；4为电化学沉积箱；5 为Ag|AgCl参比电极；6为电化学工作站； 7为电极连接导线；8为铂金对电极

图3为本发明提供的氧化亚铜(Cu₂O)薄膜沉积结构示意图。

具体实施方式：

实施例1

（1）将氧化铟锡（ITO）导电玻璃（30mm×50mm×1mm）基底先用洗涤剂进行清洗，再采用丙酮超声清洗15分钟,后用去离水进行清洗，最后在密封干净的干燥箱中烘干；

（2）在基底上采用RF射频磁控溅射沉积1-2μm厚的氧化锌（ZnO）层（前驱体）；

(3) 用去离水配制电解液：电解液为含0.4 摩尔硫酸铜(CuSO₄)、5摩尔乳酸钠(CH₃CH(OH)·COONa)的混合液；在混合液加入氢氧化钠(NaOH)，将溶液的pH值调整为12；

（4）采用三电极电化学体系（工作电极、对电极和参比电极），以制备好的氧化锌（ZnO）层（前驱体）作为工作电极、采用铂金片作为对电极、采用Ag|AgCl作为参比电极，在配制好的电解液中沉积氧化亚铜(Cu₂O) 薄膜层。沉积过程采用恒电位（Autolab 20稳压器）方式，Cu₂O沉积的化学电势为-0.4 V(伏) （相对于.Ag|AgCl参比电极），在70℃的沉积温度下无搅拌进行，沉积量通过监测沉积电荷量来控制，沉积时间约60 min；

（5）用去离子水清洗沉积的氧化亚铜(Cu₂O) 薄膜样品，自然晾干；

（6）氧化亚铜(Cu₂O) 薄膜样品退火处理：将沉积样品置于石英炉内，往石英炉内充入氮气（流量0.1m³/h），以60^oC.min^-1(每分钟60度)的速度梯度将样品加热至180^oC，并维持180^oC炉温30 min；

（7）取出样品自然冷却至室温，得到2-3μm厚的氧化亚铜(Cu₂O)薄膜。

Claims

1.一种太阳电池光吸收层Cu₂O纳米薄膜的化学制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：

A、RF射频磁控溅射沉积氧化锌层制备前驱体：将氧化铟锡导电玻璃基底先用洗涤剂进行清洗，再采用丙酮超声清洗，后用去离水进行清洗，最后在密封干净的干燥箱中烘干；用RF射频磁控溅射在基底溅射氧化锌层制备前驱体；

B、电化学沉积氧化亚铜薄膜：配制硫酸铜、乳酸钠的混合液；在混合液加入氢氧化钠，将溶液的pH值调整为12；采用三电极电化学体系，即一个铂金对电极和Ag|AgCl参比电极，用于沉积氧化亚铜薄膜，制备氧化亚铜薄膜样品；

C、氧化亚铜薄膜样品退火处理：将沉积样品置于石英炉内，往石英炉内充入氮气，按一定的速度梯度将样品加热至恒温，并维持一段时间，最后取出样品自然冷却至室温。

2.根据权利要求1所述的制备工艺，其特征在于：所述步骤B中电化学沉积所用混合液中的硫酸铜：乳酸钠的摩尔比=1:12.5。

3.根据权利要求1或2所述的制备工艺，其特征在于：所述步骤C中氧化亚铜(Cu₂O)薄膜样品退火处理充入的氮气流量为0.1m³/h；所述温度梯度为60℃min^-1，加热至180℃，并维持30min。