泡沫金屬負(fù)載的銅銦硫半導(dǎo)體光伏材料制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種銅銦硫半導(dǎo)體光伏材料的制備方法，屬于材料領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]黃銅礦型1-1I1-VI2族半導(dǎo)體具有良好的光電轉(zhuǎn)換性能，Cu (In，Ga) Se2薄膜太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)20.3% ;但是，由于硒元素有毒，因而限制了其應(yīng)用。盡管CuInS2薄膜太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率目前只有13%，但是CuInS2是直接禁帶半導(dǎo)體，帶隙能約
1.5eV，與太陽光譜十分匹配，而且吸收系數(shù)高(15CnT1);更重要的是，CuInS2中不使用有毒元素，具有環(huán)境友好的特征。因此，CuInS2是最具發(fā)展前途的光伏材料之一。
[0003]由于高比表面積低維納米結(jié)構(gòu)可以有效促進(jìn)光吸收和電荷分離，因而CuInS2半導(dǎo)體納米晶、納米線、納米棒、納米管等具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率。但是，半導(dǎo)體晶粒間界面阻力導(dǎo)致光生電子不能有效傳輸?shù)酵怆娐?，因而限制?CuInS2光電轉(zhuǎn)換效率的進(jìn)一步提高。
[0004]泡沫金屬不僅具有高比表面積，而且具有高的導(dǎo)電性。為此，本發(fā)明提出在泡沫金屬上負(fù)載均勻連續(xù)的CuInS2半導(dǎo)體光伏材料，形成以三維互通金屬線為芯的半導(dǎo)體管狀結(jié)構(gòu)，從而提聞收集和傳輸光生電子的能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供一種泡沫金屬負(fù)載的銅銦硫半導(dǎo)體光伏材料制備方法，其特征在于:采用電化學(xué)方法在泡沫金屬基體上均勻連續(xù)負(fù)載3ηπΓ? μ m的銅銦硫半導(dǎo)體層。
[0006]泡沫金屬基體包括單一金屬和金屬合金，例如泡沫銅、泡沫鋁、泡沫鎳、泡沫鐵、泡沫黃銅、泡沫鐵鎳鉻。
[0007]在泡沫金屬基體上首先通過電化學(xué)方法制備銅銦硫半導(dǎo)體層?？梢圆捎靡徊诫姵练e法制備銅銦硫半導(dǎo)體層，也可以采用分步法制備銅銦硫半導(dǎo)體層。采用一步法時(shí)，可在含有Cu2+、In3+、S2O32的電解液中進(jìn)行。采用分步法時(shí)，可先沉積銅金屬層，再沉積銦金屬層，然后再硫化；也可以先沉積銅銦合金層，然后再硫化。
[0008]在泡沫金屬基體上通過恒電位共沉積的方法制備銅銦合金膜時(shí)，電解液中銅鹽和銦鹽的濃度均為2?20mM，銅鹽和銦鹽的摩爾比為2:廣1:2，銅鹽和銦鹽可采用氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽、乙酸鹽，但不局限于這些種類的鹽。電解液中絡(luò)合劑三乙醇胺的加入量為(T0.5M ;也可以采用鄰苯二甲酸氫鉀做絡(luò)合劑，加入量為(T0.1M。電解液中檸檬酸鈉的加入量為(T0.1M。電解液pH值控制在2.(Γ5.0，沉積電位為-800? -1lOOmV (相對于飽和甘汞電極)，沉積時(shí)間為l(T60min，電解液溫度為2(T50°C。
[0009]銅銦合金膜的硫化退火過程中，以升華硫?yàn)榱蛟?，退火溫度控制?00-500°C之間；退火時(shí)間為15-120min。
[0010]該發(fā)明提供的泡沫金屬負(fù)載銅銦硫半導(dǎo)體光伏材料，形成以三維互通金屬線為芯的半導(dǎo)體管狀結(jié)構(gòu)，而不是半導(dǎo)體量子點(diǎn)。與傳統(tǒng)導(dǎo)電基體上制備的半導(dǎo)體光伏材料相比，泡沫金屬負(fù)載銅銦硫半導(dǎo)體光伏材料的光電轉(zhuǎn)換性能顯著提高。
【附圖說明】
[0011]圖1是在銦錫氧化物(ΙΤ0)導(dǎo)電玻璃上沉積的銅銦硫薄膜電極的電流-電位曲線。
[0012]圖2是泡沫鎳負(fù)載的銅銦硫半導(dǎo)體電極的電流-電位曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0013]對比例
在50mL 5mM氯化銅溶液中加入0.2M的三乙醇胺作為絡(luò)合劑，0.0lM檸檬酸鈉作為緩沖劑，用濃硫酸將電解液pH值調(diào)至5.0左右,然后加入5mM氯化銦，用氫氧化鈉溶液將溶液pH值調(diào)至4.00。
[0014]以IcmX Icm銦錫氧化物(ITO)導(dǎo)電玻璃作為工作電極，鉬網(wǎng)為對電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，室溫下在-1OOOmV恒電位沉積30min。
[0015]待薄膜干燥后對其進(jìn)行硫化熱處理，將薄膜置于管式爐的石英管中，稱取2g硫粉放在石英管的進(jìn)氣口方向，以5°C /min的升溫速率將溫度升至400°C煅燒90min，得到銅銦硫半導(dǎo)體薄膜。
[0016]以CuInS2薄膜作為工作電極，碳棒作為輔助電極，SCE作為參比電極，在0.1MNa2S04水溶液中測量暗態(tài)和光照(100mW/cm2)條件下電流-電位曲線。測量結(jié)果見圖1。
[0017]實(shí)施例
以0.5mm厚的IcmX Icm泡沫鎳作為工作電極，電解液組成、電沉積條件、硫化熱處理?xiàng)l件同對比例，得到泡沫鎳負(fù)載的銅銦硫半導(dǎo)體光伏材料。
[0018]以泡沫鎳負(fù)載的銅銦硫半導(dǎo)體材料作為工作電極，碳棒作為輔助電極，SCE作為參比電極，在0.1M Na2S04水溶液中測量暗態(tài)和光照(100mW/cm2)條件下電流-電位曲線。測量結(jié)果見圖2。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種泡沫金屬負(fù)載的銅銦硫半導(dǎo)體光伏材料制備方法，其特征在于:采用電化學(xué)方法在泡沫金屬基體上均勻連續(xù)負(fù)載3ηπΓ? μ m的銅銦硫半導(dǎo)體層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的泡沫金屬負(fù)載的銅銦硫半導(dǎo)體光伏材料制備方法，其特征在于:泡沫金屬基體包括泡沫銅、泡沫招、泡沫鎳、泡沫鐵、泡沫黃銅、泡沫鐵鎳鉻。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的泡沫金屬負(fù)載的銅銦硫半導(dǎo)體光伏材料制備方法，其特征在于:在泡沫金屬基體上首先通過恒電位共沉積制備銅銦合金膜，然后通過硫化退火的方法得到泡沫金屬負(fù)載的銅銦硫半導(dǎo)體層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的在泡沫金屬基體上通過恒電位共沉積制備銅銦合金膜的方法，其特征在于:電解液中銅鹽和銦鹽的濃度為2?20mM，銅鹽和銦鹽的摩爾比為2:廣1:2，銅鹽和銦鹽可采用氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽、乙酸鹽。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的在泡沫金屬基體上通過恒電位共沉積制備銅銦合金膜的方法，其特征在于:電解液中絡(luò)合劑三乙醇胺的加入量為(T0.5M。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的在泡沫金屬基體上通過恒電位共沉積制備銅銦合金膜的方法，其特征在于:電解液中檸檬酸鈉的加入量為(T0.1M。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的在泡沫金屬基體上通過恒電位共沉積制備銅銦合金膜的方法，其特征在于:電解液pH值控制在2.(Γ5.0。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的在泡沫金屬基體上通過恒電位共沉積制備銅銦合金膜的方法，其特征在于:沉積電位為-800? -1lOOmV (相對于飽和甘汞電極)，沉積時(shí)間l(T60min，電解液溫度為2(T50°C。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的通過硫化退火得到泡沫金屬負(fù)載的銅銦硫半導(dǎo)體層的方法，其特征在于:銅銦合金膜的硫化退火過程中，以升華硫?yàn)榱蛟?，退火溫度控制?0(T50(TC之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的通過硫化退火得到泡沫金屬負(fù)載的銅銦硫半導(dǎo)體層的方法，其特征在于:銅銦合金膜的硫化退火過程中，退火時(shí)間為15?120min。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種銅銦硫半導(dǎo)體光伏材料制備方法，屬于材料領(lǐng)域。其特征在于：采用電化學(xué)方法在泡沫金屬基體上均勻連續(xù)負(fù)載3納米至1微米的銅銦硫半導(dǎo)體層。該材料具有很高的光電轉(zhuǎn)換效率。
【IPC分類】H01L31-18
【公開號】CN104752552
【申請?zhí)枴緾N201310732089
【發(fā)明人】元炯亮, 路輝, 王培城, 李旺
【申請人】北京化工大學(xué)
【公開日】2015年7月1日
【申請日】2013年12月27日