專利名稱：一種銅鋅錫硫薄膜材料的硒化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用真空條件下利用氫氧焰對石英管進(jìn)行封管操作，并在管式退火爐中進(jìn)行熱處理，在石英管真空腔內(nèi)，在硒氣氛下對銅鋅錫硫薄膜進(jìn)行硒化處理的方法。屬太陽能電池薄膜器件制備工藝技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
能源是人類社會賴以生存發(fā)展的重要資源。全球人口增長和經(jīng)濟(jì)增長對能源的需求日益加大。隨著世界能源的日益緊缺和人們環(huán)保意識的增強(qiáng)，太陽能以其獨(dú)特的優(yōu)勢和巨大的開發(fā)利用潛力成為重要替代能源之一。近來光伏市場主流的晶硅電池成本高昂，阻礙了光伏市場的發(fā)展，因此尋求新一代低成本、儲量豐富的吸收材料制成太陽能電池，成為全球研究熱點(diǎn)。直接帶隙的銅鋅錫硫(Cu2ZnSnS4，簡寫為CZTS)半導(dǎo)體材料，黝錫礦結(jié)構(gòu)的四元化合物，其禁帶寬度為1.5 IeV,與半導(dǎo)體太陽能電池所要求的最佳禁帶寬度(1.5eV)十分接近。且各元素地殼儲量豐富，無毒環(huán)保，而成為太陽能電池吸收層的最佳候選材料之一。退火硒化制得的CZTSSe薄膜，研究發(fā)現(xiàn)，這種納米晶體薄膜上有很多包裹嚴(yán)實(shí)的大晶粒，大大提高了電池的轉(zhuǎn)化效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對目前銅鋅錫硫薄膜硒化存在的技術(shù)不足，提供一種低成本，高質(zhì)量的銅鋅錫硫材料硒化的方法。本發(fā)明方法反應(yīng)條件簡單，不需要昂貴的設(shè)備。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案包括的步驟如下:
a)取壁厚1.5-2.0mm的石英管,加入酒精超聲15min,用去離子水沖洗干凈并烘干。b)取0.2-0.3g高純硒粉或硒粒，裝入石英管，并推至石英管底部，將涂覆有銅鋅錫硫薄膜的載玻片沿管壁垂直放入石英管中。再取一根外直徑略小于石英管的石英管至于載玻片上端，作為封管時的封套。c)將裝有載玻片與硒粒的石英管與擴(kuò)散泵、機(jī)械泵用真空橡皮管相連，并在接口處用真空硅脂實(shí)現(xiàn)密封；用機(jī)械泵和擴(kuò)散泵對石英管內(nèi)部抽高真空，真空度約為5X10_3-5X10_4Pa。d)先打開氫氣管，點(diǎn)燃?xì)錃馊紵?，然后打開氧氣管，并且調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)难鯕饬髁?。在封套和石英管交接處，先用氫氧焰烘至白熱狀態(tài)，進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱20-30S后，將氫氧焰的外焰集中于石英管和封套交接處，并且環(huán)繞石英管進(jìn)行燃燒，此時石英管發(fā)出白光，并且慢慢融化，熔融狀態(tài)的石英管與內(nèi)部的封套均勻接觸，移開氫氧焰，熔融的石英管會迅速冷卻，并且附著在內(nèi)部的封套上，此時石英管內(nèi)部形成真空腔。e)待石英管冷卻后，將石英管取下，并且置于500-550°C的管式退火爐中。石英管中的硒粒融化并汽化，石英管中此時是硒氣氛，硒化30min，將石英管取出，置于空氣中冷卻至室溫，最后再從石英管中取出經(jīng)硒化的銅鋅錫硫薄膜載玻片。
本發(fā)明的特點(diǎn)是:
1.加入的硒粉或硒粒的量可以影響硒化時的硒氣氛的壓力，控制銅鋅錫硫中硫被硒取代的取代率，控制禁帶寬度和晶粒大小。2.不需用到石墨盒等，只需普通石英管即可，設(shè)備簡單，易于操作，重復(fù)性好。3.不產(chǎn)生有毒尾氣，安全高效。


圖1是硒化裝置示意圖。圖2是硒化前后薄膜在載玻片襯底上的X射線衍射譜(XRD)。圖中明顯得出，硒化后的樣品的XRD特征峰的峰強(qiáng)有明顯的加強(qiáng)，變得更加尖銳。雜相也消失了，表明經(jīng)過硒化處理，銅鋅錫硫材料在真空高溫的情況下進(jìn)行了再結(jié)晶反應(yīng)，使得材料由雜相變成了純相。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)將本發(fā)明的實(shí)施例結(jié)合附圖詳述如下:
實(shí)施例一
1.取壁厚1.5-2.0mm的石英管,加入酒精超聲15min,用去離子水沖洗干凈并烘干。2.取0.2155g高純硒粒，裝入石英管，并推至石英管底部，將涂覆有銅鋅錫硫薄膜的載玻片沿管壁垂直放入石英管中。再取一根外直徑略小于石英管的石英管至于載玻片上端，作為封管時的封套。3.將裝有載玻片與硒粒的石英管與擴(kuò)散泵、機(jī)械泵用橡膠管相連，并在接口處用真空硅脂實(shí)現(xiàn)密封。用機(jī)械泵和擴(kuò)散泵對石英管內(nèi)部抽高真空，真空度約為5X10_4Pa。4.先打開氫氣管，點(diǎn)燃?xì)錃馊紵?，然后打開氧氣管，并且調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)难鯕饬髁俊Ｔ诜馓缀褪⒐芙唤犹?，先用氫氧焰烘至白熱狀態(tài)，進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱20-30S后，將氫氧焰的外焰集中于石英管和封套交接處，并且環(huán)繞石英管進(jìn)行燃燒2-3min，此時石英管發(fā)出白光，并且慢慢融化，熔融狀態(tài)的石英管與內(nèi)部的封套均勻接觸，此時移開氫氧焰，熔融的石英管會迅速冷卻，并且附著在內(nèi)部的封套上，此時石英管內(nèi)部形成真空腔。待石英管冷卻后，將石英管取下，并且置于500°C的管式退火爐中。石英管中的硒粒融化并汽化，硒化30min，將石英管取出，置于空氣中冷卻至室溫。
權(quán)利要求
1.一種銅鋅錫硫薄膜材料的硒化方法。其特征在于具有以下的過程和步驟: a)取壁厚1.5-2.0mm的石英管,加入酒精超聲15min,用去離子水沖洗干凈并烘干； b)取適量高純硒粉或硒粒，裝入石英管，并推至石英管底部，將涂覆有銅鋅錫硫薄膜的載玻片沿管壁垂直放入石英管中；再取一根外直徑略小于石英管的石英管至于載玻片上端，作為封管時的封套； c)將裝有載玻片與硒粒的石英管與擴(kuò)散泵、機(jī)械泵用真空橡皮管相連，并在接口處用真空硅脂實(shí)現(xiàn)密封；用機(jī)械泵和擴(kuò)散泵對石英管內(nèi)部抽高真空，真空度約為5Xl0-3-5Xl0-4Pa。
d)先打開氫氣管，點(diǎn)燃?xì)錃馊紵缓蟠蜷_氧氣管，并且調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)难鯕饬髁?；在封套和石英管交接處，先用氫氧焰烘至白熱狀態(tài)，進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱20-30S后，將氫氧焰的外焰集中于石英管和封套交接處，并且環(huán)繞石英管進(jìn)行燃燒，此時石英管發(fā)出白光，并且慢慢融化，熔融狀態(tài)的石英管與內(nèi)部的封套均勻接觸，移開氫氧焰，熔融的石英管會迅速冷卻，并且附著在內(nèi)部的封套上，此時石英管內(nèi)部形成真空腔； e)待石英管冷卻后，將石英管取下，并且置于350-550°C的管式退火爐中；石英管中的硒粒融化并汽化，石英管中此時是硒氣氛，硒化30min，將石英管取出，置于空氣中冷卻至室溫；最后再從石英管中取出經(jīng)硒化的銅鋅錫硫薄膜載玻片。
全文摘要
本發(fā)明涉及硒氣氛下對銅鋅錫硫薄膜進(jìn)行硒化處理的方法。屬太陽能電池薄膜器件制備工藝技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明包括如下步驟:將硒粒和涂覆有銅鋅錫硫薄膜的載玻片放入石英管中并抽高真空至5×10-4Pa，用氫氧焰加熱管口至熔融并冷卻封管。將石英管放入500-550℃的管式退火爐中進(jìn)行熱處理30min，進(jìn)行銅鋅錫硫薄膜的硒化處理。
文檔編號H01L31/0216GK103236452SQ20131014105
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月23日
發(fā)明者史偉民, 李季戎, 廖陽, 錢雋, 王國華, 楊偉光, 沈春夏 申請人:上海大學(xué)