專利名稱：一種控制先驅(qū)體晶粒度制備FeS₂薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備1 薄膜的方法，尤其是涉及一種通過控制先驅(qū)體晶粒度制備1 薄膜的方法。
背景技術(shù)：
目前煤炭、石油及天然氣等一次性能源已越來越不能滿足需要，儲量也在迅速減少。取之不盡、用之不竭的太陽能已成為新能源利用開發(fā)的重點，其中主要開發(fā)形式之一是力圖將太陽光能有效地轉(zhuǎn)化為電能來造福人類。狗&具有合適的禁帶寬度和高的光吸收系數(shù)，其組成元素儲量豐富、無毒，是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ奶柲茈姵夭牧?。太陽能電池是將光能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件，其中的光電極材料是太陽能電池的核心，目前一些新的太陽能電池材料正在不斷地被研制開發(fā)。在這些材料中，立方晶系的1 薄膜具有廣闊的發(fā)展應用前景已受到科技界的高度重視，已引起廣泛關(guān)注，目前存在的主要問題是急需在制備技術(shù)等方面迅速發(fā)展，以便能夠使其更快應用到新能源事業(yè)。純！^膜熱硫化法是合成1 薄膜的重要方法之一。然而，薄膜的質(zhì)量和特性一般對制備方法相當敏感，因此尋求合適制備方法及優(yōu)化制備參數(shù)相當重要。關(guān)于1 薄膜的制備技術(shù)也有較多公布。專利ZL02111221. 5公布了一種單晶硅片襯底的磁控濺射鐵膜合成1 的制備方法，但此種技術(shù)僅可用于1 薄膜生長研究的實驗樣品，不適用于實際大量使用。Raturi 等在其研究論文(Renewable Energy, 2000, vol. 20, pp. 37-43)報導了在370°C平板玻璃上噴涂FeCl3溶液氧化形成了狗203，再在硫化氣氛中退火使預制膜轉(zhuǎn)變?yōu)? 膜。專利CN200310107202.8公布了在一種銅銦鎵硫化物半導體薄膜材料的制備中， 先用真空磁控濺射、加熱蒸發(fā)或化學水浴電沉積法在鈉鈣玻璃Mo襯底上分步沉積化學式配比量的Cu、In、fei金屬預制層，再進行硫化反應。！^errer等在論文(Journal of Applied Physics, 1991，vol. 70, pp.沈41_2647)中采用硫化合成玻璃基片上閃蒸鍍！^膜制備了
薄膜。Heras 等在研究(Thin Solid Films, 1991，vol. 199, pp. 259-267; Journal of Applied Physics, 1993，vol. 74，pp. 4551-4556)中用天然粉末在 Sn 及 h 氧化物涂層玻璃上閃蒸鍍了三種不同厚度薄膜，并對蒸鍍后的1 薄膜進行了后續(xù)硫化處理。 張秀娟等在其研究(半導體學報，2004，vol. 25，pp. 657-661)中用單晶硅基片上采用不同時間濺射了不同厚度狗膜，通過硫化合成了晶粒尺寸在23 59nm范圍內(nèi)變化的1 薄膜。Ares 等(Thin Solid Films, 2005，vol. 480-481, pp. 477-481)在玻璃基片上蒸鍍了 25 330nm厚度的！^膜，在525 77 溫度范圍內(nèi)硫化合成了 1 薄膜，晶粒尺寸可在 10 90nm范圍內(nèi)變化。在已公開的關(guān)于1 薄膜的制備技術(shù)中，某些制備技術(shù)僅針對的是1 薄膜反應過程的誘發(fā)、質(zhì)量的改善、結(jié)晶過程的控制以及在半導體器件制造過程中的具體應用，并未涉及更簡便實用的狗&薄膜制備技術(shù)。大部分技術(shù)必須要同時改變硫化參數(shù)和薄膜性能，這樣會導致硫化參數(shù)對薄膜物理性能的影響混雜其中，使得控制薄膜質(zhì)量很困難，不利于推廣使用。有的技術(shù)在形成1 薄膜過程中雖然不涉及硫化參數(shù)的變化， 但采用了不透明的基片(如單晶硅)控制結(jié)晶過程，使得用于光電轉(zhuǎn)換場合的1 薄膜無法接收基片透射光而缺乏實用性，并且基片成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種通過控制先驅(qū)體晶粒度制備1 薄膜的方法，采用優(yōu)化的先驅(qū)體預處理技術(shù)在先驅(qū)體鐵膜中形成不同晶粒度組織，再通過硫化處理結(jié)晶出1 薄膜，可對晶體組織進行雙階段調(diào)整控制，該方法設(shè)備簡單，工藝參數(shù)容易控制，膜體與基片結(jié)合牢固并可直接采用透明基底。為達到上述目的，本發(fā)明采用制備1 薄膜的技術(shù)方案的步驟如下
1)在飽和鉻酸溶液中煮沸后用去離子水沖洗鍍膜基底；
2)再依次在丙酮、無水乙醇、去離子水中超聲波振蕩清洗，烘干；
3)將鍍膜基底置于磁控濺射設(shè)備中，采用不同溫度加熱鍍膜基底；
4)在鍍膜基底上濺射純狗膜，通過調(diào)整濺射功率和時間濺射控制純狗膜厚度后保
5)將濺射得到的純狗膜和純硫粉封裝于玻璃管中；
6)封裝后的純！^膜經(jīng)硫化處理形成1 薄膜。步驟1)中所述的鍍膜基底面積為^X76mm2的全透明載玻片。步驟3)中所述的鍍膜基底加熱溫度為200 500°C。步驟4)中所述的濺射控制純!^e膜厚度為0. 25 0. 3 μ m。步驟5)中所述的封裝于玻璃管中純硫粉質(zhì)量按照在400°C能夠產(chǎn)生SOkPa的額定硫壓計算。步驟6)中所述的純！^膜經(jīng)硫化處理的硫化溫度為400 500°C，硫化時間為10 40h。從步驟1)至步驟4)所述的得到的純Fe膜的晶粒尺寸范圍在30 55nm。本發(fā)明具有的有益的效果是
1)通過對先驅(qū)體鐵膜結(jié)晶程度的控制，得到了細小均勻的先驅(qū)體鐵膜晶粒度，并且晶粒尺寸大小可方便控制。使用了控制厚度的先驅(qū)體純!^e膜硫化處理形成1 薄膜，可以利用優(yōu)化先驅(qū)體膜濺射及隨后的硫化處理兩不同技術(shù)的優(yōu)化，能夠靈活控制最終得到的1 薄膜質(zhì)量及狀態(tài)，控制手段和過程更為靈活，有利于優(yōu)化制備技術(shù)。也可為1 薄膜的工業(yè)化生產(chǎn)提供更多選擇。2 )與其它制備技術(shù)相比，本技術(shù)基底種類、面積和形狀可變性強，工藝參數(shù)可控性強，制備工藝及設(shè)備簡單，效率較高。尤其是對狗&薄膜的結(jié)晶條件能夠在先驅(qū)體膜制備階段就進行預先干預和調(diào)整，降低了在最后形成1 薄膜階段再調(diào)整工藝參數(shù)影響危害 FeS2薄膜質(zhì)量穩(wěn)定性的程度，并有利于改善薄膜性能水平。


圖1是本發(fā)明實施例1 4中的制得的先驅(qū)體！^膜的晶粒大小。圖2是本發(fā)明實施例1 4中制得的1 薄膜的XRD譜。
具體實施例方式實施例1:
鍍膜基底采用面積為^X76mm2的全透明載玻片，在飽和鉻酸溶液中煮沸15min后用去離子水沖洗，再依次在丙酮、無水乙醇、去離子水中超聲波振蕩15min清洗，最后在200°C 下保溫池烘干得到晶粒尺寸為30nm的純狗膜。在FJL-450型磁控濺射設(shè)備中濺射純狗膜，基底溫度為200°C，濺射后保溫0. 5h， 得到晶粒尺寸為30nm、厚度為0. 25 μ m的純!^e膜。將純!^e膜和按400°C計算產(chǎn)生SOkPa 名義硫壓所需質(zhì)量的硫粉封裝于玻璃管中，封裝前抽真空并用Ar氣置換5次。封裝后的試樣于400°C硫化40h。實施例2:
鍍膜基底采用面積為^X76mm2的全透明載玻片，在飽和鉻酸溶液中煮沸15min后用去離子水沖洗，再依次在丙酮、無水乙醇、去離子水中超聲波振蕩15min清洗，最后在200°C 下保溫濁烘干得到的純狗膜。在FJL-450型磁控濺射設(shè)備中濺射純狗膜，基底溫度為300°C，濺射后保溫0. 5h， 得到晶粒尺寸為40nm、厚度為0.觀μ m的純!^e膜。將純!^e膜和按400°C計算產(chǎn)生SOkPa 名義硫壓所需質(zhì)量的硫粉封裝于玻璃管中，封裝前抽真空并用Ar氣置換5次。封裝后的試樣于450°C硫化20h。實施例3:
鍍膜基底采用面積為^X76mm2的全透明載玻片，在飽和鉻酸溶液中煮沸15min后用去離子水沖洗，再依次在丙酮、無水乙醇、去離子水中超聲波振蕩15min清洗，最后在200°C 下保溫濁烘干。在FJL-450型磁控濺射設(shè)備中濺射純狗膜，基底溫度為400°C，濺射后保溫0. 5h， 得到晶粒尺寸為40nm、厚度為0. 30 μ m的純!^e膜。將純!^e膜和按400°C計算產(chǎn)生SOkPa 名義硫壓所需質(zhì)量的硫粉封裝于玻璃管中，封裝前抽真空并用Ar氣置換5次。封裝后的試樣于500°C硫化10h。實施例4
鍍膜基底采用面積為^X76mm2的全透明載玻片，在飽和鉻酸溶液中煮沸15min后用去離子水沖洗，再依次在丙酮、無水乙醇、去離子水中超聲波振蕩15min清洗，最后在200°C 下保溫濁烘干。在FJL-450型磁控濺射設(shè)備中濺射純狗膜，基底溫度為500°C，濺射后保溫0. 5h， 得到晶粒尺寸為55nm、厚度為0.沈μ m純!^e膜。將純!^e膜和按400°C計算產(chǎn)生SOkPa名義硫壓所需質(zhì)量的硫粉封裝于玻璃管中，封裝前抽真空并用Ar氣置換5次。封裝后的試樣于450°C硫化20h。以上各實施例中所制備的先驅(qū)體純!^e膜晶粒尺度如圖1所示。以上各實施例中所制備的的1 薄膜的XRD譜如圖2所示。
權(quán)利要求
1. 一種控制先驅(qū)體晶粒度制備狗&薄膜的方法，其特征在于該方法的步驟如下1)在飽和鉻酸溶液中煮沸后用去離子水沖洗鍍膜基底；2)再依次在丙酮、無水乙醇、去離子水中超聲波振蕩清洗，烘干；3)將鍍膜基底置于磁控濺射設(shè)備中，采用不同溫度加熱鍍膜基底；4)在鍍膜基底上濺射純狗膜，通過調(diào)整濺射功率和時間濺射控制純狗膜厚度后保5)將濺射得到的純狗膜和純硫粉封裝于玻璃管中；6)封裝后的純！^膜經(jīng)硫化處理形成1 薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種控制先驅(qū)體晶粒度制備1 薄膜的方法，其特征在于 步驟1)中所述的鍍膜基底面積為^X76mm2的全透明載玻片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種控制先驅(qū)體晶粒度制備1 薄膜的方法，其特征在于 步驟3)中所述的鍍膜基底加熱溫度為200 500°C。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種控制先驅(qū)體晶粒度制備1 薄膜的方法，其特征在于 步驟4)中所述的濺射控制純！^膜厚度為0. 25 0. 3 μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種控制先驅(qū)體晶粒度制備1 薄膜的方法，其特征在于 步驟5)中所述的封裝于玻璃管中純硫粉質(zhì)量按照在400°C能夠產(chǎn)生SOkPa的額定硫壓計笪弁。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種控制先驅(qū)體晶粒度制備1 薄膜的方法，其特征在于 步驟6)中所述的純!^e膜經(jīng)硫化處理的硫化溫度為400 500°C，硫化時間為10 40h。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種控制先驅(qū)體晶粒度制備FeS2薄膜的方法，其特征在于 從步驟1)至步驟4)所述的得到的純狗膜的晶粒尺寸范圍在30 55nm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種控制先驅(qū)體晶粒度制備FeS2薄膜的方法。鍍膜基底在飽和鉻酸溶液中煮沸后用去離子水沖洗，再依次在丙酮、無水乙醇、去離子水中超聲波振蕩清洗烘干；濺射純Fe膜，控制基底溫度及厚度。將純Fe膜和硫粉封裝于玻璃管中硫化處理。發(fā)明可得到細小均勻的先驅(qū)體鐵膜晶粒度，晶粒尺寸大小可方便控制?？梢岳脙?yōu)化先驅(qū)體膜濺射及隨后的硫化處理兩不同技術(shù)的優(yōu)化，靈活控制最終得到的FeS2薄膜質(zhì)量及狀態(tài)，控制手段和過程更為靈活，有利于優(yōu)化制備技術(shù)。也可為FeS2薄膜的工業(yè)化生產(chǎn)提供更多選擇。
文檔編號H01L31/18GK102560374SQ20121000660
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月11日
發(fā)明者孟亮, 汪牡丹, 王峰 申請人:浙江大學