[发明专利]基于溶液法实现的自组装无电沉积制备铜铟镓硒三维纳米结构阵列

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种太阳能电池材料技术领域的纳米材料，具体是一种适用于纳米结构的p-n结太阳能电池的基于溶液法实现的自组装无电沉积制备铜铟镓硒三维纳米结构阵列。 

背景技术

化合物半导体黄铜矿铜铟镓硒是制备薄膜太阳能电池的理想材料。它有较高的可见光光吸收系数，可调的带隙宽度，长期的稳定性、可靠性、高温特性和弱光特性。铜铟镓硒目前-实验室最高转换效率记录超过了20%。然而，高转换效率的CIGS薄膜电池是由真空技术-共蒸发方法制备的CIGS多晶薄膜作为吸收层来实现的，但由于共蒸发工艺所需要昂贵的设备系统、材料利用率不高等特点不适合做大规模的推广。 

近二三十年来，铜铟镓硒的研究者们一直在追求探索高效、低成本、可控的方法合成铜铟镓硒材料，并研究其相应物理化学性质，以此推动铜铟镓硒材料电池的发展。金属预制层硒化法、电化学沉积技术、喷雾热解方法、量子点丝网印刷及旋涂法，微粒沉积技术、气相输运技术、机械化学等方法都被用来合成CIGS（铜铟镓硒）材料。但是，许多非真空工艺在降低成本的可以合成CIGS材料，其对应光伏器件转换效率不是很高 

由于共蒸发法设备及制备成本高制约了铜铟镓硒薄膜太阳能电池的广泛应用，因此，寻找低成本、低功耗、环境友好的制备铜铟镓硒薄膜电池一直是研究的热点。在制备铜铟镓硒材料的多种方法中，溶液法被普遍认为是一种极具潜力的制备铜铟镓硒的方法，最有可能代替以真空设备为基础的共蒸发法，相对于共蒸发法，溶液法具有环境要求少，简单易操作性，高效的沉积速率，设备及材料成本低，具有大规模制备的商业潜力和可行性。 

同时，近年来，研究过程中纳米结构的太阳能电池对比平板薄膜太阳能电池有着巨大的优势，比如更高的光吸收光俘获特性，少的能量损失，好的载流子输运特性等，都吸引着研究者的广泛关注和研究。 

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN101700872A，公开日2010.05.05，公开了一种铜铟镓硒纳米线阵列及其制备方法。该技术是在玻璃或硅片基底上制备金属电极层后，利用有序纳米模板做生长掩膜在衬底上的金属电极上电沉积制备有序的纳米线结构铜铟镓硒P型吸收层材料阵列。并通过化学腐蚀或物理刻蚀的方法从上至下部分去除模板，露出纳米线阵列，该阵列可用于与N型窗口层及金属电极组成具有光电转换性能的异质结。但该技术去除模板相对复杂，采用电沉积成本高，对制备的CIGS阵列形貌不能很好的控制。 

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于溶液法实现的自组装无电沉积制备铜铟镓硒三维纳米结构阵列，其形貌可根据氧化铝模板的孔径大小和溅射金属钼层的厚度来实现可调。本发明丰富了纳米结构CIGS的制备方法，为以后进一步制备高效率，大面积，低功耗，低成本的纳米太阳能电池和p-n结器件研究提供了材料支持。制备方法相对简单，不需要需昂贵的真空设备，对周围环境没有特殊要求，适宜工业普及。 

本发明是通过以下技术方案实现的： 

本发明涉及一种自组装无电沉积制备铜铟镓硒三维纳米结构阵列的制备方法，将背面溅射有金属钼四周带铝支撑的多孔氧化铝模板作为CIGS生长基底，浸入以铜、铟、镓和硒离子的混合液作为铜铟镓硒生长液中使得铜铟镓硒在CIGS生长基底上自组装生长，经退火去除模板后得到三维纳米结构的CIGS材料。 

所述的金属钼四周带铝支撑的多孔氧化铝模板包括：低场草酸氧化铝模板和高场磷酸氧化铝模板。 

所述的铜铟镓硒生长液是指：按Cu²⁺:SeO₃^2-=3:10～1:2，In³⁺：Ga³⁺=1:5～4:5，Cu²⁺：（In³⁺+Ga³⁺）=7:10～5:6，的摩尔比例，将CuCl₂，InCl₃，CaCl₃，H₂SeO₂溶液加入到电阻率为18MΩ·cm的去离子水中，经充分搅拌，并用NaOH溶液调节pH值至2.0～2.3，配置成铜铟镓硒生长液。 

所述的CIGS生长基底是指：通过两步阳极氧化法制备出四周带铝支撑的多孔的纳米氧化铝模板，接着利用磁控溅射方法，在阳极氧化铝的背面溅射一层金属钼。