[发明专利]一种控制先驱体晶粒度制备FeS2薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备FeS₂薄膜的方法，尤其是涉及一种通过控制先驱体晶粒度制备FeS₂薄膜的方法。

背景技术

目前煤炭、石油及天然气等一次性能源已越来越不能满足需要，储量也在迅速减少。取之不尽、用之不竭的太阳能已成为新能源利用开发的重点，其中主要开发形式之一是力图将太阳光能有效地转化为电能来造福人类。FeS₂具有合适的禁带宽度和高的光吸收系数，其组成元素储量丰富、无毒，是一种极具发展潜力的太阳能电池材料。太阳能电池是将光能直接转化为电能的器件，其中的光电极材料是太阳能电池的核心，目前一些新的太阳能电池材料正在不断地被研制开发。在这些材料中，立方晶系的FeS₂薄膜具有广阔的发展应用前景已受到科技界的高度重视，已引起广泛关注，目前存在的主要问题是急需在制备技术等方面迅速发展，以便能够使其更快应用到新能源事业。

纯Fe膜热硫化法是合成FeS₂薄膜的重要方法之一。然而，薄膜的质量和特性一般对制备方法相当敏感，因此寻求合适制备方法及优化制备参数相当重要。关于FeS₂薄膜的制备技术也有较多公布。专利ZL02111221.5公布了一种单晶硅片衬底的磁控溅射铁膜合成FeS₂的制备方法，但此种技术仅可用于FeS₂薄膜生长研究的实验样品，不适用于实际大量使用。Raturi等在其研究论文（Renewable Energy, 2000, vol.20, pp.37-43）报导了在370℃平板玻璃上喷涂FeCl₃溶液氧化形成了Fe₂O₃，再在硫化气氛中退火使预制膜转变为FeS₂膜。专利CN200310107202.8公布了在一种铜铟镓硫化物半导体薄膜材料的制备中，先用真空磁控溅射、加热蒸发或化学水浴电沉积法在钠钙玻璃Mo衬底上分步沉积化学式配比量的Cu、In、Ga金属预制层，再进行硫化反应。Ferrer等在论文（Journal of Applied Physics, 1991, vol.70, pp.2641-2647）中采用硫化合成玻璃基片上闪蒸镀Fe膜制备了FeS₂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FeS₂粉末在Sn及In氧化物涂层玻璃上闪蒸镀了三种不同厚度薄膜，并对蒸镀后的FeS₂薄膜进行了后续硫化处理。张秀娟等在其研究（半导体学报，2004，vol.25, pp.657-661）中用单晶硅基片上采用不同时间溅射了不同厚度Fe膜，通过硫化合成了晶粒尺寸在23～59nm范围内变化的FeS₂薄膜。Ares等（Thin Solid Films, 2005, vol.480-481, pp.477-481）在玻璃基片上蒸镀了25～330nm厚度的Fe膜，在525～775K温度范围内硫化合成了FeS₂薄膜，晶粒尺寸可在10～90nm范围内变化。在已公开的关于FeS₂薄膜的制备技术中，某些制备技术仅针对的是FeS₂薄膜反应过程的诱发、质量的改善、结晶过程的控制以及在半导体器件制造过程中的具体应用，并未涉及更简便实用的FeS₂薄膜制备技术。大部分技术必须要同时改变硫化参数和薄膜性能，这样会导致硫化参数对薄膜物理性能的影响混杂其中，使得控制薄膜质量很困难，不利于推广使用。有的技术在形成FeS₂薄膜过程中虽然不涉及硫化参数的变化，但采用了不透明的基片（如单晶硅）控制结晶过程，使得用于光电转换场合的FeS₂薄膜无法接收基片透射光而缺乏实用性，并且基片成本较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种通过控制先驱体晶粒度制备FeS₂薄膜的方法，采用优化的先驱体预处理技术在先驱体铁膜中形成不同晶粒度组织，再通过硫化处理结晶出FeS₂薄膜，可对晶体组织进行双阶段调整控制，该方法设备简单，工艺参数容易控制，膜体与基片结合牢固并可直接采用透明基底。

为达到上述目的，本发明采用制备FeS₂薄膜的技术方案的步骤如下：