[发明专利]一种Cu2ZnSnS4/石墨烯复合半导体薄膜的制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合半导体薄膜的制备方法及其应用，具体涉及一种Cu₂ZnSnS₄/石墨烯复合半导体薄膜的制备方法及其应用，属于半导体薄膜制备技术领域。

背景技术

能源危机和环境污染是当前人类面临的两大危机，解决此问题的方法：一方面是传统产业节能减排，另一方面是开发可再生的清洁能源。太阳能是开发潜力最大的可再生资源，以太阳能光伏技术为支撑的太阳能利用正在给人类的能源消费结构带来革命性的变化。

近年来，I₂-II-IV-VI₄族四元化合物铜锌锡硫（Cu₂ZnSnS₄，简称CZTS）半导体薄膜被认为是一种有望替代铜铟镓硒（CuIn_xGa_1-xSe₂，简称CIGS)薄膜的新型太阳能电池材料。CZTS具有以下优点：（1）在紫外－可见光波段具有宽吸收带，吸收系数高达10⁴cm^-1；（2）禁带宽度值为1.5eV，与半导体太阳能电池所需的最佳禁带宽度十分接近；（3）元素铜、锌、锡、硫地球储量均非常丰富，成本低；（4）不含有毒元素，对环境友好；基于以上优点，CZTS是一种绿色、廉价、安全、适合大规模生产的新型太阳能电池材料，必将成为继CdTe和CIGS薄膜之后的又一具有广阔发展前景的光伏材料。

但半导体主要存在两个缺陷：（1）只能吸收波长小于420nm紫外光线而紫外光在太阳光谱中所占的比例不足5%，故太阳能的利用率很低；（2）所产生的光生电子与空穴非常容易复合这将直接影响的光吸收效率。石墨烯是一种由单层碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜二维材料，石墨烯及其衍生物氧化石墨烯具有优异的电学热学光学和力学性能。石墨烯具有特殊的单原子层结构和新奇的物理性质：强度达130GPa、热导率约5000J/(m·K·s)、禁带宽度几乎为零、载流子迁移率达到2×105cm²/(V·s)、高透明度（约97.7%）、比表面积理论计算值为2630m²/g，石墨烯的杨氏模量（1100GPa）和断裂强度（125GPa）与碳纳米管相当，它还具有分数量子霍尔效应、量子霍尔铁磁性和零载流子浓度极限下的最小量子电导率等一系列性质。在过去几年中，石墨烯已经成为了材料科学领域的一个研究热点。

石墨烯复合材料良好应用前景，特别是在半导体行业的引用引起了人们的极大关注。在太阳能电池材料中石墨烯/半导体复合材料能有效提高电子空穴对的分离，进而提高太阳光的吸收效率。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，提供一种采用溶剂热合成技术直接在FTO透明导电玻璃上制备Cu₂ZnS nS₄/石墨烯复合半导体薄膜的方法，工艺简单，成本低廉，性能和应用效果好。

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案是：

一种Cu₂ZnSnS₄/石墨烯复合半导体薄膜的制备方法，包括以下步骤：

（1）FTO 导电玻璃衬底的清洗：将掺F的SnO₂透明导电玻璃FTO依次放入丙酮、无水乙醇和去离子水中各超声清洗10 min，烘干；

（2）制备石墨烯薄膜骨架：在50ml乙二醇溶液中加入改进hummer法制备的氧化还原石墨烯粉末0.01~0.1g，用超声粉碎仪超声分散10min，然后使用滴管吸取0.02~0.1ml石墨烯悬浊液，滴加在FTO玻璃导电面，置于鼓风干燥机，60-200℃恒温干燥，得到石墨烯薄膜；

（3）配制化学反应前驱体溶液：在50 ml的乙二醇中依次加入4 mmol氯化铜、2 mmol氯化锌、2 mmol氯化亚锡，磁力搅拌至充分溶解；然后加入5~11mmol 硫脲，0~1.28g PVP磁力搅拌至充分溶解，得到反应前驱体溶液；