[发明专利]一种铜锌锡硫薄膜及其制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明涉及一种薄膜及其制备方法和用途，尤其涉及一种铜锌锡硫薄膜及其制备方法和用途。 

背景技术

近年来能源和环境问题日益加剧，对太阳能向化学能直接转化的研究越来越受到关注，比如说经过光电化学过程将太阳能转化成氢气和/或者氧气。铜锌锡硫(缩写作CZTS)具有很多优点，比如：光吸收系数超过10⁴cm^-1，带隙大约是1.5eV，铜、锌、锡、硫元素在自然界储量丰富，不污染环境。目前它应用于太阳能电池的效率已经达到了12%，而且在用作光电极材料方面也陆续受到了关注。对于铜锌锡硫薄膜的制备，通常采用电化学法，连续离子层吸收反应，水热法等等。但是，这些方法制备出的铜锌锡硫薄膜在进一步结晶的时候都要经过硫化(有剧毒)。另外，在光电化学应用过程中会出现较大的暗电流，这是由于薄膜不够致密或者硫化物的光腐蚀引起的。除此以外，铜锌锡硫用作光电极材料时候的化学稳定性也是一个很大的挑战。 

出于这些考虑，本领域技术人员希望采用简单易行、无毒的合成方法。同时，积极开拓铜锌锡硫薄膜的使用领域。 

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种简单易行的合成铜锌锡硫薄膜的方法。同时，为了改善铜锌锡硫薄膜作为光电极的光电化学和化学稳定性能，本发明把铜锌锡硫薄膜表面用硫化镉和二氧化钛修饰，制成铜锌锡硫/硫化镉/二氧化钛薄膜光电极。 

为实现上述目的，本发明提供了一种铜锌锡硫薄膜的制备方法，包括以下步骤： 

(1)配制前驱液：将氯化铜、氯化锌、氯化亚锡和硫脲共同溶解到甲醇或者乙醇中，搅拌直至溶液澄清透明； 

(2)将基底FTO分别在丙酮、乙醇、去离子水中逐次进行超声清洗； 

(3)将前驱液旋涂到基底FTO的表面，然后进行干燥； 

(4)将步骤(3)得到的样品置于氮气或氩气中煅烧，得到铜锌锡硫薄膜。 

进一步地，在步骤(1)中，以摩尔计，氯化铜：氯化锌：氯化亚锡：硫脲=0.5～2：1：0.5～1：4～20；优选地，氯化铜：氯化锌：氯化亚锡：硫脲=0.5：1：0.5： 5。 

进一步地，在步骤(2)中，超声清洗的时间为5～30分钟。基底清洗不彻底非常影响成膜的效果。 

进一步地，在步骤(3)中，旋涂的速率为300～3500转/分钟，旋涂的时间为5～120秒；优选地，干燥的温度为100-200℃，干燥的时间为5～30分；优选地，步骤(3)重复两次以上。 

干燥是为了除去残留在薄膜中的溶液，并且减少薄膜中的碳残留。该过程可以进行多次重复，以得到所需的薄膜厚度。 

进一步地，在步骤(4)中，煅烧的温度为200-600℃，煅烧的时间为1小时。 

本发明还提供了一种在以上述方法得到的铜锌锡硫薄膜的基础上，制备铜锌锡硫/硫化镉/二氧化碳薄膜的方法，具体步骤如下： 

(1)用碘化镉、氯化镉或醋酸镉作为镉源，硫脲作为硫源，氨水作为络合剂，并加入适量缓冲剂，配制成硫化镉的化学浴水溶液； 

(2)将铜锌锡硫薄膜浸泡在硫化镉的化学浴水溶液中，油浴加热至60～90℃，保温5～35分钟后将铜锌锡硫薄膜取出，用足量的去离子水和乙醇冲洗并且吹干，在100～300℃下煅烧30分钟，得到铜锌锡硫/硫化镉薄膜； 

(3)将步骤(2)中得到的铜锌锡硫/硫化镉薄膜放入原子层沉积设备中，在100～250℃下保温30～300分钟，得到铜锌锡硫/硫化镉/二氧化钛薄膜。 

优选地，在步骤(2)中，以摩尔计，镉源：硫源=1：1～10,硫化镉的化学浴水溶液呈碱性。 

本发明的有益效果是： 

(1)铜锌锡硫薄膜的制备方法简单易行，适合大规模生产； 

(2)使用本发明铜锌锡硫薄膜的制备方法制得的铜锌锡硫薄膜致密性好，表面平整均匀且无裂纹； 

(3)铜锌锡硫/硫化镉/二氧化钛薄膜的光电化学性能好，化学稳定性高； 

(4)所制得的铜锌锡硫/硫化镉/二氧化钛薄膜可广泛用于半导体纳米薄膜的生产以及光电催化领域。 

附图说明

图1是实施例1制得的铜锌锡硫薄膜的X射线衍射图； 

图2是实施例1制得的铜锌锡硫薄膜的拉曼图谱； 

图3是实施例1制得的铜锌锡硫薄膜在5000倍放大下的表面扫描照片； 

图4是实施例1制得的铜锌锡硫薄膜在25000倍放大下的表面扫描照片；