[发明专利]一种化学浴沉积并硫化制备二硫化铁薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种化学浴沉积并硫化合成FeS₂薄膜的方法，属于功能薄膜材料的制备技术领域。 

背景技术

随着科学技术的进步和人类文明的发展，煤炭、石油及天然气等一次性能源已越来越不能满足需要，而且，在一次性能源的使用过程中会释放出大量对人类有害的气体，破坏人类赖以生存的环境。因此，在各种可再生能源汇中，太阳能已成为新能源的重点，主要开发形式之一是力图将太阳能有效地转化为电能来造福人类。 

太阳能电池是将太阳能直接转化为电能的有效器件，目前快速发展的商用太阳能电池仍面临一些限制其大规模应用的问题。例如，第一代硅系列太阳能电池成本居高不下；第二代CuIn(Ga)Se₂、CdTe(CdSe)等薄膜型太阳能电池含有稀有贵金属（In、Ga、Se、Te）以及对环境有污染的Cd元素；TiO₂有机染料敏化太阳能电池的光致衰退效应太明显等。选择资源丰富、无污染、具有较高光电转换效率且性能稳定的“绿色”光电转换材料，开展低成本制备及其性能的基础研究，具有重要的科学意义和产业应用价值。 

黄铁矿相FeS₂(Pyrite)因其优良特性成为一种备受关注的新型光伏材料（Envir.Sci.＆Tech.，43，2009，2072-2077）。一方面它具有与CuInSe₂材料相媲美的性能：如适宜的禁带宽度(0.95eV)，高光吸收系数(当λ≤750nm时，α≥6×l0⁵cm^-1)；另一方面，它的组成元素储量十分丰富，且具有无毒、环境相容性好等优点，成为目前取代CIS系光电转换材料的首选体系。 

目前FeS₂薄膜的制备方法可以分为直接法和间接法两大类。直接法即通过物理或者化学方法直接生成FeS₂薄膜，但通常合成的薄膜难以达到标准化学计量成分，存在S空位以及FeS_2-x等过渡相，需要进一步硫化来消除。如Hear等(J.Phys.Condens.Matter，46,1994,10177-10183)采用闪蒸镀法将FeS₂靶材变成气相沉积在基底上，但是在沉积过程中温度过低沉积速度慢且薄膜不连续，温度过高时则易形成Fe_1-xS杂质相，影响最终薄膜的光电性能。间接法即首先制备出Fe、Fe-S或Fe-O等类型的先驱体膜，再在特定的硫化气氛中使先驱体膜发生硫化反应生成具有比较理想成分的FeS₂薄膜。如L.Meng等(Mater.Res.Bull.，38,2003,941-948)先采用磁控溅射制备出Fe膜，然后将Fe膜在硫气氛下进行硫化处理得到FeS₂薄膜；A.Yamamoto等(Sol.Energy Mater.Sol.Cells，75,2003,451-456)利用喷雾热解的方法，将FeSO₄和(NH₄)₂S_x溶液交替喷射在120°C基底上得到Fe和S的化合物，再在H₂S的气氛下进行硫化处理；Gomes等(Solid State Sci.，4，2002,1083-1088)和Dong等(Mater.Res.Bull.，39，2004,1861-1868)采用电沉积方法制备铁硫先驱体薄膜，然后再进行硫化处理得到FeS₂薄膜材料。然而，这些制 备方法大多对设备要求较高，需要真空、高温等条件，制膜成本较高；而且由于反应复杂，很难控制所制得薄膜的化学成分配比，造成薄膜的纯度不高，进而对薄膜的光电性能产生影响，不利于大面积生产。另外，电沉积方法对薄膜的基底选择有限制，基底必须为导电基底，这也限制了该方法的产业化发展。 

相比以上的制备方法，化学浴沉积制备薄膜工艺简单，反应参数容易控制，所需反应设备相对简单，且衬底不必具有导电特性，制得的薄膜不含有杂质相。这些优点为大规模低成本制备FeS₂光电薄膜提供了可能。 

发明内容