[发明专利]一种成分连续渐变的半导体合金薄膜及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种成分连续渐变的半导体合金薄膜及其制备方法和应用，其中该薄膜的特征有：薄膜为三元硫硒化合物合金，硒成分在X轴方向能够连续渐变，在Y轴方向和Z轴方向基本不变；该成分连续渐变的半导体合金薄膜作为良好的光吸收层被用于薄膜太阳能电池阵列和光电探测器。其制备方法包括：(1)选取沉积衬底；(2)准备蒸发源；(3)制备半导体合金薄膜。本发明提出的方法能够在同一条件下沉积成分大范围连续变化的半导体合金薄膜，制膜速度快，工艺方便，易于实现，稳定可靠，应用范围广泛。

技术领域

本发明属于半导体薄膜材料技术领域，具体地，涉及一种成分连续渐变半导体合金薄膜的制备方法及应用。

背景技术

半导体合金薄膜材料得到快速的发展并被广泛的应用于光电探测器和太阳能电池中。这类材料(如：锑硫硒，铋硫硒等)的主要优点是具有可控的光学带隙和电学性能，能够很好的匹配光谱特性。例如锑硫硒合金(Sb₂(Se_xS_1-x)₃)结合了单体材料的优点同时也克服了带隙的不足，它具有大的吸收系数，改变其成分可以调节带隙从1.1eV到1.7eV。然而半导体合金的成分变化对器件性能的影响巨大，不同成分的合金的制备方法需要不断发展。目前，半导体合金的制备方法以溶液法为主，每次调节一种成分，工作量繁重，并且容易出现偶然误差。因此，一次性同时同条件的制备出连续成分连续渐变的半导体合金薄膜是必要的。为了探究合金成分变化对物理特性以及器件性能的影响，高通量的制备方法是发展的趋势。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题，提出了一种成分连续渐变的半导体合金薄膜及其制备方法和应用。

按照本发明的目的，提供了一种成分连续渐变的半导体合金薄膜，该半导体合金薄膜的成分为三元硫硒化合物；记位于所述半导体合金薄膜表面上、且沿该方向半导体合金薄膜表面的硒元素含量保持不变的方向为Y轴方向，记该半导体合金薄膜的厚度方向为Z轴方向，并且记位于该半导体合金薄膜表面上、且与所述Y轴、所述Z轴分别垂直的方向为X轴方向；

所述半导体合金薄膜中硒元素的原子个数占合金薄膜中硒和硫的原子总数之比在X轴方向上连续渐变，在Y轴和Z轴方向上保持不变。

该半导体合金薄膜中硒元素的含量在制备所述硫硒化合物的原料即硫化物和硒化物这两个蒸发源中心连线方向即横轴方向连续渐变，在垂直这两个蒸发源中心连线方向即纵轴方向不变，在薄膜表面到底部方向即深度方向不变。

优选地，所述的硫硒化合物为Sb₂(Se_xS_1-x)₃或Bi₂(Se_xS_1-x)₃，其中0<x<1。

优选地，所述的硫硒化合物Sb₂(Se_xS_1-x)₃中硒元素的摩尔百分比x在X轴方向连续渐变的范围为0.09-0.84；所述薄膜在X轴方向的长度为5.5-6.5cm，在Y轴方向的宽度为2-5cm，在Z轴方向的厚度为280nm-550nm。

按照本发明的另一个方面，提供了成分连续渐变的半导体合金薄膜作为吸收层应用于太阳能电池和光电探测器。

按照本发明的另一个方面，提供了成分连续渐变的半导体合金薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)选用玻璃、导电玻璃或半导体氧化物薄膜作为衬底，洗净后在400-500℃条件下加热；

(2)将硫化物粉末均匀撒在一块玻璃片上，将硒化物粉末均匀撒在另一块玻璃片上，使单位面积上的粉末的物质的量不仅在各自玻璃片上相等，而且在两块玻璃片上也相等，且均为0.1-0.12mmol/cm²；即得到两个平面蒸发源；