一種電沉積制備n型半導體ZnO薄膜的方法與流程

本發明涉及一種制備n型半導體ZnO薄膜的方法。

背景技術：

ZnO是典型的II-VI族直接帶隙半導體，禁帶寬度為3.37 eV，由于ZnO材料的特殊結構，在制備過程中比較容易實現摻雜；這種結構使得ZnO在可見光范圍的透過率很高，是良好的太陽能電池n型半導體材料和窗口層材料重要組成部分。ZnO的含量豐富，成本低廉，且無毒，具有高度的熱穩定性，同時易于摻雜，且電阻率可在10^-3-10⁵ Ω·cm范圍內變動，顯示出了極好的光電特性。n型半導體ZnO能用許多方法制備，如噴霧熱解法、脈沖激光沉積法、金屬有機化學氣相沉積法、電沉積法等。其中電沉積方法操作簡單，可在低溫下操作，成本低，適合大規模工業生產而備受關注。

技術實現要素：

本發明目的是為了解決現有方法制備太陽能電池n型半導體ZnO薄膜透過率低的問題，而提供了一種電沉積制備n型半導體ZnO薄膜的方法。

本發明的一種電沉積制備n型半導體ZnO薄膜的方法是按照以下步驟進行的：

一、導電玻璃的前處理

對導電玻璃進行前處理，待用；

二、電沉積制備n型半導體ZnO薄膜

采用石墨作為陽極，以步驟一前處理后的導電玻璃作為工作電極，將陽極和工作電極放入n型半導體ZnO薄膜電沉積液中并在電解槽中通入氧氣，進行恒壓電沉積，沉積后，取出工作電極，用蒸餾水清洗；

三、ZnO薄膜的熱處理

將步驟二得到的ZnO薄膜在溫度為60 ℃條件下，進行熱處理30 min， 隨爐冷卻至室溫，即完成制備n型半導體ZnO薄膜；

其中，步驟一所述的導電玻璃為FTO導電玻璃，

步驟二所述的n型半導體ZnO薄膜沉積液是由1.5~2.0 mol/L的Zn(NO₃)₂溶液和25 mol/L KNO₃，1 mol/L檸檬酸溶液組成，ZnO電沉積液的pH值為5.5；

步驟二所述的沉積電壓條件為：1.6 V，沉積時間為10 min，溫度為50~70 ℃。

本發明包括以下有益效果：

本發明運用電沉積方法在FTO導電玻璃上制備透光率高的n型半導體ZnO薄膜，不但大大節省了生產成本，而且還具有沉積速率快，清潔生產，生產效率高等特征，非常適合大規模制備n型半導體ZnO薄膜。采用電沉積的方法制備的n型半導體ZnO薄膜分布均勻、嚴密并且雜質含量也很少，在可見光區范圍內透光率很高，達到80%以上。

附圖說明

圖1是采用本發明的方法的n型半導體ZnO薄膜的XRD示意圖，2Theta表示X射線的入射角度的兩倍。曲線A表示基體的XRD示意圖，曲線B表示電沉積后的ZnO薄膜；

圖2是本發明的具體實施方式一電沉積前FTO的SEM圖；

圖3是本發明的具體實施方式一中ZnO薄膜的SEM圖；

圖4是本發明的具體實施方式一中ZnO薄膜的AFM圖；

圖5是本發明的具體實施方式一中得到的n型半導體ZnO薄膜的波長-透光率曲線圖；

圖6是本發明的具體實施方式一中得到的n型半導體ZnO薄膜的半導體類型測試圖。

具體實施方式

具體實施方式一：本實施方式所述的電沉積制備n型半導體ZnO薄膜的方法，

它包括如下步驟：

一、導電玻璃的前處理

對導電玻璃進行前處理，待用；

二、電沉積制備n型半導體ZnO薄膜

采用石墨作為陽極，以步驟一前處理后的導電玻璃作為工作電極，將陽極和工作電極放入n型半導體ZnO薄膜電沉積液中并在電解槽中通入氧氣，進行恒壓電沉積，沉積后，取出工作電極，用蒸餾水清洗；

三、ZnO薄膜的熱處理

將步驟二得到的ZnO薄膜在溫度為60 ℃條件下，進行熱處理30 min， 隨爐冷卻至室溫，即完成制備n型半導體ZnO薄膜；

其中，步驟一所述的導電玻璃為FTO導電玻璃，

步驟二所述的n型半導體ZnO薄膜沉積液是由2.0 mol/L的Zn(NO₃)₂溶液和25 mol/L KNO₃，1 mol/L檸檬酸溶液組成，ZnO電沉積液的pH值為5.5；

步驟二所述的沉積電壓條件為：1.6 V，沉積時間為10 min，溫度為60 ℃。

本實施方式采用電沉積的方法在FTO導電玻璃上制備n型半導體ZnO薄膜，本實驗實施方式用電沉積制備n型半導體ZnO薄膜的透光率達到了80%以上，為大規模生產n型半導體材料ZnO薄膜開辟了新途徑。

本發明運用電沉積方法在FTO導電玻璃上制備透光率高的n型半導體ZnO薄膜，不但大大節省了生產成本，而且還具有沉積速率快，清潔生產，生產效率高等特征，非常適合大規模制備n型半導體ZnO薄膜。

具體實施方式二：本實施方式是對具體實施方式一所述的電沉積制備n型半導體ZnO薄膜的方法進一步說明，所述步驟一為：依次將FTO導電玻璃放到稀鹽酸中清洗1次、蒸餾水洗FTO導電玻璃8次，用洗衣粉水超聲清洗5次、用蒸餾水沖洗8次、丙酮清洗導電玻璃4次、用蒸餾水沖洗8次、以及無水乙醇清洗導電玻璃6次，用蒸餾水沖洗8次，然后吹干。

具體實施方式三：本實施方式是對具體實施方式一所述的電沉積制備n型半導體ZnO薄膜的方法進一步說明，所述步驟二中n型半導體ZnO 電沉積液的pH值均是用63%的濃硝酸溶液進行調節的。

圖1為ZnO薄膜的XRD圖。圖中下面部分為基體的XRD譜圖，分別在2θ=31.6°，34.4°,36.3°,60.0°出現了四個峰，此峰是六方纖鋅礦結構ZnO的峰位。

圖2和圖3分別為FTO導電玻璃基體和沉積ZnO薄膜的SEM圖。對比兩圖看出FTO導電玻璃基體電沉積的ZnO薄膜結構為顆粒狀，顆粒大小幾乎一致，分布均勻，結構致密，孔隙率較小，雜質含量少，鋪滿了基體表面。

圖4為ZnO薄膜的AFM圖，薄膜分布均勻，平鋪在整個導電玻璃上。

圖5為得到的n型半導體ZnO薄膜的波長-透光率曲線圖。制備的ZnO薄膜在300 nm~900 nm波長范圍內的透過率變化情況的掃描曲線圖。當波長大于350 nm時隨著波長的增加透過率逐漸增大，達到接近900 nm時透過率逐漸趨于平穩。說明ZnO薄膜在可見光區范圍內透光率很高，能達到80%以上，完全能夠起到透光性半導體材料的作用。

圖6為得到的n型半導體ZnO薄膜的半導體類型測試圖。冷熱兩端的電勢差為-173 mV，電壓值為負，因此可以判斷通過正交試驗得到的最優條件下制備的ZnO薄膜為n型半導體。