Ti掺杂CdIn.pdf
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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010163990.6 (22)申请日 2020.03.11 (71)申请人 鄂尔多斯应用技术学院 地址 017010 内蒙古自治区鄂尔多斯市康 巴什区鄂尔多斯大街东1号 (72)发明人 范文亮姚海燕吕笑公 (74)专利代理机构 合肥市泽信专利代理事务所 (普通合伙) 34144 代理人 方荣肖 (51)Int.Cl. C23C 14/35(2006.01) C23C 14/58(2006.01) C23C 14/06(2006.01) C23C 14/02(2006.01。
2、) (54)发明名称 一种Ti掺杂CdIn2S4的中间带薄膜及其制备 方法 (57)摘要 本发明公开了一种Ti掺杂CdIn2S4的中间带 薄膜及其制备方法, 制备方法首先清洗钠钙玻璃 衬底, 然后将CdIn2S4靶材与TiS2靶材分别安装在 磁控溅射仪的靶位上, 再将清洗干净的钠钙玻璃 衬底固定在载物台上, 抽真空, 然后依次交替溅 射CdIn2S4和TiS2, 在钠钙玻璃衬底上沉积Ti- CdIn2S4得到层叠膜, 最后将所述层叠膜放入退 火炉中退火, 最终得到Ti-CdIn2S4中间带薄膜。 本发明的Ti掺杂CdIn2S4的中间带薄膜的制备方 法 , 通过溅射法制备出纯尖晶石结构的Ti- 。
3、CdIn2S4薄膜, 掺入Ti元素后形成杂质带, 该薄膜 可以吸收可见光-红外光源范围内的光子, 增多 光生载流子降低电子-空穴对复合, 光吸收强度 明显增强, 并且随着Ti掺杂量的增加吸收强度也 在增强。 权利要求书2页 说明书7页 附图10页 CN 111139441 A 2020.05.12 CN 111139441 A 1.一种Ti掺杂CdIn2S4的中间带薄膜制备方法, 其特征在于, 该薄膜使用TiS2掺杂 CdIn2S4基薄膜材料制成, TiS2掺杂CdIn2S4基薄膜材料的化学通式为Ti-CdIn2S4, 制备方法 包括以下步骤: 步骤1: 制备CdIn2S4靶材; 步骤2: 制。
4、备TiS2靶材; 步骤3: 清洗钠钙玻璃衬底; 步骤4: 将CdIn2S4靶材与TiS2靶材分别安装在磁控溅射仪的靶位上; 步骤5: 将清洗干净的钠钙玻璃衬底固定在载物台上; 步骤6: 将溅射环境抽真空, 在溅射介质Ar的气体流量为30sccm、 溅射气压为0.6Pa的条 件下, 依次交替溅射CdIn2S4和TiS2靶材到温度为30的洗钠钙玻璃衬底上, 其中, 在60W射 频功率下沉积每一层CdIn2S4, 沉积6层, 每层TiS2均以60W的直流电源沉积, 共沉积5层, 最 后, 获得Ti-CdIn2S4预制膜,即叠层膜:钠钙玻璃/CdIn2S4/TiS2/CdIn2S4/TiS2/CdIn。
5、2S4/TiS2/ CdIn2S4/TiS2/CdIn2S4/TiS2/CdIn2S4; 沉积得到层叠膜分子式为Ti-CdIn2S4; 共计五层掺杂 层, 具体结构是: 在第一层衬底上生长80nm掺Ti的CdIn2S4缓冲层, 掺杂浓度在1018cm-3量级; 第二层衬底上生长300nm掺Ti的CdIn2S4缓冲层, 掺杂浓度在1018cm-3量级; 第三层和第四层 厚度分别为30nm和100nm; 第五层为在CdIn2S4吸收层上掺杂浓度在1019cm-3量级, 厚度为 80nm; 步骤7: 将步骤6所述层叠膜放入Ar气保护环境的退火炉中退火, 最终得到Ti-CdIn2S4中 间带薄膜。 2。
6、.如权利要求1所述的一种Ti掺杂CdIn2S4的中间带薄膜制备方法, 其特征在于: 步骤3 中清洗钠钙玻璃衬底的步骤为: 切割钠钙玻璃衬底用洗洁精清洗去离子水超声20min 10的稀硫酸浸泡20min去离子水清洗干净四氯化碳超声10min丙酮超声10min 无水乙醇超声10min丙酮超声10min无水乙醇超声10min放入无水乙醇中备用。 3.如权利要求1所述的一种Ti掺杂CdIn2S4的中间带薄膜制备方法, 其特征在于: 步骤6 和步骤7中Ar气的纯度为体积百分比99.99以上。 4.如权利要求1所述的一种Ti掺杂CdIn2S4的中间带薄膜制备方法, 其特征在于: 步骤4 中CdIn2S4靶。
7、材安装在所述磁控溅射仪的强磁靶上, 且通过射频源溅射。 5.如权利要求1所述的一种Ti掺杂CdIn2S4的中间带薄膜制备方法, 其特征在于: 步骤6 中TiS2每层的溅射时间均为0.5-2.5min, 所述CdIn2S4每层的溅射时间为10-11min; 步骤6中 的真空条件为5.010-5Pa。 6.如权利要求1所述的一种Ti掺杂CdIn2S4的中间带薄膜制备方法, 其特征在于: 步骤7 中的退火温度为300-500, 退火时间为15-25min, 升温速率为15/min。 7.如权利要求1所述的一种Ti掺杂CdIn2S4的中间带薄膜制备方法, 其特征在于: 步骤7 中退火炉中放入所述步骤6。
8、制备的层叠膜后, 一端通入氩气保护, 另一端用去离子水密封。 8.如权利要求1所述的一种Ti掺杂CdIn2S4的中间带薄膜制备方法, 其特征在于: CdIn2S4 靶材和TiS2靶材到载物台的距离均为58mm-62mm。 9.如权利要求1所述的一种Ti掺杂CdIn2S4的中间带薄膜制备方法, 其特征在于: 所述 CdIn2S4靶材和TiS2的纯度在原子百分比99.99以上。 10.一种Ti掺杂CdIn2S4的中间带薄膜, 其采用TiS2掺杂CdIn2S4中间带的制备方法, 其特 权利要求书 1/2 页 2 CN 111139441 A 2 征在于, 所述制备方法为如权利要求1至9中任意一项所述。
9、的制备方法。 权利要求书 2/2 页 3 CN 111139441 A 3 一种Ti掺杂CdIn2S4的中间带薄膜及其制备方法 技术领域 0001 本发明涉及太阳能电池领域中的一种中间带吸收层材料, 具体为一种TiS2掺杂 CdIn2S4的中间带薄膜及其制备方法。 背景技术 0002 具有八面体结构的CdIn2S4尖晶石半导体可应用于发冷光、 光电子学、 X射线剂量学 性质的光导体、 光催化、 太阳能电池和发光二极管领域, 尤其在光催化领域应用广泛, 它的 光电性能可通过引入杂质带(以下简称IB)而得到改善。 CdIn2S4的光学带隙值在2.0-2.2eV 之间, 处于实现IB材料的最佳带隙范。
10、围内, 故也是应用于IBSC光吸收层有前景的基体材料 之一。 0003 现有技术中研究团队仅仅从理论上对Ti元素掺杂尖晶石结构的CdIn2S4基体半导 体的分析, 认为过渡金属元素Ti是最好的候选材料, 因为它可诱导出自旋极化部分填充的 IB, 吸收红外光谱范围的光子, 进而增强光吸收且改善其光电性能。 但还未有人从实际制备 和参数方法上给予Ti掺杂基体半导体CdIn2S4的中间带薄膜的方法进行公开。 发明内容 0004 针对现有的技术方案存在的问题, 本发明的目的在于提供一种TiS2掺杂CdIn2S4的 中间带薄膜及其制备方法, 实现掺杂后的Ti-CdIn2S4薄膜光吸收强度明显增强, 并且。
11、基体半 导体CdIn2S4可以吸收可见光-红外光源范围内的光子, 增多光生载流子降低电子-空穴对复 合。 0005 为实现上述目的, 本发明提供以下技术方案: 0006 一种Ti掺杂CdIn2S4的中间带薄膜制备方法, 该薄膜使用TiS2掺杂CdIn2S4基薄膜材 料制成, TiS2掺杂CuGaS2基薄膜材料的化学分子通式为Ti-CdIn2S4, 制备方法包括以下步 骤: 0007 步骤1: 制备CdIn2S4靶材; 0008 步骤2: 制备TiS2靶材; 0009 步骤3: 清洗钠钙玻璃衬底; 0010 步骤4: 将CdIn2S4靶材与TiS2靶材分别安装在磁控溅射仪的靶位上; 0011 步。
12、骤5: 将清洗干净的钠钙玻璃衬底固定在载物台上; 0012 步骤6: 将溅射环境抽真空, 在溅射介质Ar气的气体流量为30sccm、 溅射气压为 0.6Pa的条件下, 依次交替溅射CdIn2S4和TiS2靶材到温度为30的洗钠钙玻璃衬底上, 其 中, 在60W射频功率下沉积每一层CdIn2S4, 沉积6层, 每层TiS2均以60W的直流电源沉积, 共沉 积5层, 最后, 获得Ti-CdIn2S4预制膜即叠层膜, 钠钙玻璃/CdIn2S4/TiS2/CdIn2S4/TiS2/ CdIn2S4/TiS2/CdIn2S4/TiS2/CdIn2S4/TiS2/CdIn2S4; 沉积得到层叠膜分子式为T。
13、i-CdIn2S4; 共计五层掺杂层, 具体结构是: 在第一层衬底上生长80nm掺Ti的CdIn2S4缓冲层, 掺杂浓度在 1018cm-3量级; 第二层衬底上生长300nm掺Ti的CdIn2S4缓冲层, 掺杂浓度在1018cm-3量级; 第 说明书 1/7 页 4 CN 111139441 A 4 三层和第四层厚度分别为30nm和100nm; 第五层为在CdIn2S4吸收层上掺杂浓度在1019cm-3量 级, 厚度为80nm; 0013 步骤7: 将步骤6所述层叠膜放入Ar气保护环境的退火炉中退火, 最终得到Ti- CdIn2S4中间带薄膜。 0014 作为上述方案的进一步改进, 步骤3中清。
14、洗钠钙玻璃衬底的步骤为: 切割钠钙玻璃 衬底用洗洁精清洗去离子水超声20min10的稀硫酸浸泡20min去离子水清洗干 净四氯化碳超声10min丙酮超声10min无水乙醇超声10min丙酮超声10min无水 乙醇超声10min放入无水乙醇中备用。 0015 作为上述方案的进一步改进, 步骤6和步骤7中Ar气的纯度为体积百分比99.99 以上。 0016 作为上述方案的进一步改进, 步骤4中CdIn2S4靶材安装在所述磁控溅射仪的强磁 靶上, 且通过射频源溅射。 0017 作为上述方案的进一步改进, 步骤6中TiS2每层的溅射时间均为0.5-2.5min, 所述 CdIn2S4每层的溅射时间为1。
15、0-11min; 步骤6中的真空条件为5.010-5Pa。 0018 作为上述方案的进一步改进, 步骤7中的退火温度为300-500, 退火时间为15- 25min, 升温速率为15/min。 0019 作为上述方案的进一步改进, 步骤7中退火炉中放入所述步骤6制备的层叠膜后, 一端通入氩气保护, 另一端用去离子水密封。 0020 作为上述方案的进一步改进, CdIn2S4靶材和TiS2靶材到载物台的距离均为58- 62mm。 0021 作为上述方案的进一步改进, 所述CdIn2S4靶材和TiS2的纯度在原子百分比 99.99以上。 0022 作为本发明提供的一种Ti掺杂CdIn2S4的中间带。
16、薄膜, 其采用上述采用TiS2掺杂 CdIn2S4的中间带制备方法制备而成。 0023 与现有技术相比, 本发明的有益效果是: 0024 (1)本发明采用交替磁控溅射法结合保护气氛下退火处理制备出纯尖晶石结构的 Ti-CdIn2S4薄膜。 其UV-vis-NIR光吸收谱显示: 除了相应于CdIn2S4的光吸收带边响应(光学 带隙为2.32eV), 位于约760和1150nm处还有两个额外子带隙光学吸收边, 说明有部分填充 的中间带形成。 这样引入了多个中间带, 从而提高了光吸收强度。 0025 (2)本发明制备的Ti-CdIn2S4中间带薄膜组成元素及薄膜表面晶体颗粒尺寸分布 均匀, 且至少能。
17、够形成一条杂质带, 从而提高了材料的光吸收强度。 同时, 本发明制得的基 体半导体Ti-CdIn2S4可以吸收可见光-红外光源范围内的光子, 增多光生载流子降低电子- 空穴对复合, 从而增强光电流。 附图说明 0026 下面结合附图对本发明进一步说明。 0027 图1为本发明一种Ti掺杂CdIn2S4的中间带薄膜的制备方法的流程图。 0028 图2为本发明实施例2不同退火温度下制备的T-CIS2中间带薄膜样品XRD图谱。 0029 图3为本发明500下退火处理的不同Ti含量的Ti-CdIn2S4薄膜XRD图谱。 说明书 2/7 页 5 CN 111139441 A 5 0030 图4为本发明对。
18、比例的CdIn2S4和实施例3的T-CIS3薄膜的拉曼光谱。 0031 图5为本发明经过500退火处理不同Ti含量的Ti-CdIn2S4薄膜的SEM图。 0032 图6为本发明500下退火处理实施例3的T-CIS3中间带薄膜表面元素分布图。 0033 图7为本发明对比例CdIn2S4中间带薄膜EDAX图谱。 0034 图8为本发明实施例3的T-CIS3中间带薄膜的EDAX图谱。 0035 图9为本发明实施例3在500下退火不同时间制备的T-CIS3样品薄膜的UV-vis- NIR吸收光谱。 0036 图10为本发明500下退火处理的CdIn2S4和Ti-CdIn2S4样品薄膜的UV-vis-N。
19、IR吸 收光谱。 0037 图11为本发明500下退火处理的Ti-CdIn2S4样品中间带薄膜的瞬态光电流响应 图。 具体实施方式 0038 为使本发明实施例的目的、 技术方案和优点更加清楚, 下面将结合本发明实施例 及附图, 对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完整地描述, 显然, 所描述的实施例是本 发明一部分实施例, 而不是全部的实施例。 0039 本发明实施例中所使用的实验靶材、 辅助材料及试剂参数如表1所示: 0040 表1 0041 名称化学式规格生产厂家 镉铟硫靶材CdIn2S499.99北京兴友经贸有限公司 二硫化钛靶材TiS299.99北京兴友经贸有限公司 四氯化碳CCl4。
20、99.7天津市北联精细化学品开发有限公司 丙酮C3H6O99.7天津市北联精细化学品开发有限公司 无水乙醇CH3CH2O99.7天津市北联精细化学品开发有限公司 0042 本发明实施例中所使用的实验仪器设备规格如表2所示: 0043 表2 说明书 3/7 页 6 CN 111139441 A 6 0044 0045 其中, 所使用分析测试方法为: 0046 X射线衍射仪(XRD): 表征薄膜样品的结晶性和晶体结构并对其进行定性分析, 扫 面范围从20 -80 。 0047 拉曼光谱(Raman spectra): 表征分子结构中各个化学键的振动模式, 激发波长为 514nm。 0048 扫描电。
21、子显微镜(SEM): 表征薄膜样品的表面和截面结构形态, 与其搭配的EDAX测 试薄膜的元素分布及含量。 0049 X射线光电子能谱仪(XPS): 测试薄膜的成分及元素的化学形态。 0050 紫外可见分光光度计(UV-vis): 测试薄膜的吸收和反射光谱, 通过分析光谱获得 光学特性, 如吸收系数和禁带宽度。 0051 光电流响应检测: 入射光是通过在灯和样品之间设置和移除屏障来机械的开关, 同时对光电流进行检测。 0052 实施例1 0053 请参阅图1, 本实施例的一种Ti掺杂CdIn2S4的中间带薄膜的制备方法, 其方法步骤 如下: 0054 步骤1: 制备CdIn2S4靶材; 选择直径。
22、为65mm的圆形靶材, 纯度99.99, 厚度5mm。 0055 步骤2: 制备TiS2靶材; 选择厚度3mm, 纯度99.99的TiS2。 0056 步骤3: 清洗钠钙玻璃衬底, 首先将钠钙玻璃衬底切割为2cm2cm, 用洗洁精清洗 表面污迹杂物, 然后用去离子水超声20min, 再用10的稀硫酸浸泡20min, 取出钠钙玻璃衬 底用去离子水清洗干净; 清洗后的钠钙玻璃衬底依次放入四氯化碳、 丙酮、 无水乙醇中交替 超声10min; 最后将超声完成的钠钙玻璃衬底放入无水乙醇中备用。 超声波清洗器采用昆山 市超声仪器有限公司型号为KQ-250E的清洗器。 0057 步骤4: Ti-CdIn2S。
23、4中间带薄膜的制备 0058 (1)将直径为65mm的圆形靶材CdIn2S4(厚度5mm)、 TiS2靶材(厚度3mm)分别安装到 说明书 4/7 页 7 CN 111139441 A 7 磁控溅射仪靶位上, 其中CdIn2S4安装到强磁靶位上并使用射频源(RF)溅射。 磁控溅射仪采 用福林科技工程股份有限公司型号Fu-10Sp的磁控溅射仪; 0059 (2)将清洗干净的钠钙玻璃(以下简称: SLG)衬底固定在载物台上, 载物台采用上 海昭沅仪器设备有限公司型号ET200的台阶仪。 靶材到台阶仪距离为60mm; 0060 (3)溅射环境抽真空, 将本底真空度设置为5.010-5Pa; 0061。
24、 (4)在溅射介质Ar(纯度99.99)的流速为30sccm、 工作压力为0.6Pa的条件下依 次交替溅射CdIn2S4和TiS2, 在温度为30的钠钙玻璃衬底上沉积Ti-CdIn2S4得到层叠膜。 具 体方法为, 在60W射频功率下沉积每一层CdIn2S4, 沉积6层, 每层TiS2均以60W的直流电源沉 积, 共沉积5层, 最后, 获得Ti-CdIn2S4预制膜即叠层膜, SLG/CdIn2S4/TiS2/CdIn2S4/TiS2/ CdIn2S4/TiS2/CdIn2S4/TiS2/CdIn2S4/TiS2/CdIn2S4; 其中, 溅射CdIn2S4共6层, 每层溅射时间 10min,。
25、 TiS2共5层, 每层溅射时间0.5min。 0062 步骤5: 将盛放预制薄膜的石英管插入退火炉中, 退火炉选用合肥科晶材料技术有 限公司型号GSL-1100X的真空管式退火炉, 退火炉一端通入氩气另一端用去离子水密封, 氩 气保护环境下和不同退火温度下快速退火, 退火温度分别为300、 350、 400、 450和 500, 退火时间分别为15min、 20min、 25min, 升温速率为15/min。 最终得到Ti-CdIn2S4中 间带薄膜; 作为标号T-CIS1预制叠层膜样品。 0063 实施例2 0064 制备流程请参阅图1, 本实施例的一种Ti掺杂CdIn2S4的中间带薄膜的。
26、制备方法, 其 方法步骤和实施例1基本相同, 区别在于, 步骤4中Ti-CdIn2S4中间带薄膜的制备, 溅射 CdIn2S4共6层, 每层溅射时间10min, TiS2共5层, 每层溅射时间1.5min; 作为标号T-CIS2预制 叠层膜样品。 0065 实施例3 0066 制备流程请参阅图1, 本实施例的一种Ti掺杂CdIn2S4的中间带薄膜的制备方法, 其 方法步骤和实施例1基本相同, 区别在于, 步骤4中Ti-CdIn2S4中间带薄膜的制备, 溅射 CdIn2S4共6层, 每层溅射时间10min, TiS2共5层, 每层溅射时间2.5min。 作为标号T-CIS3预制 叠层膜样品。 0。
27、067 在上述实施例的基础上, 采用溅射法制备CdIn2S4预制薄膜, 共6层, 每层溅射时间 为11min; 作为对比薄膜样品。 0068 对得到的Ti-CdIn2S4中间带薄膜利用X射线衍射仪(以下简称: XRD)进行衍射分析, 同时表征薄膜样品的结晶性和晶体结构并对其进行定性分析: 0069 一、 物相结构分析 0070 见图2, 其为经过300-500退火处理后, 得到T-CIS2预制薄膜的XRD图谱。 如图所 示, 在不同的退火温度下, 该样品的各个衍射峰都能与尖晶石结构的CdIn2S4的标准卡片(编 号: JCPDS#27-0060)相对应, 且随着温度的升高各峰强增加, 相应于(。
28、400)衍射峰的半高宽 在减小, 说明其晶粒尺寸逐渐增大。 在300-400范围内, 2 ( 为衍射角)约为37 处出现一 杂峰, 通过与Cd、 In和S三种或其中两种元素组成的化合物标准卡片相对比, 发现该杂峰是 In和S组成的化合物衍射峰。 但当温度在450和500时, 该杂峰消失, 样品为纯相。 当温度升 高到550以上时, 该薄膜会从钠钙玻璃基底上脱落, 所以500是最适宜的退火温度。 0071 见图3, 经过500退火处理, 图3为制备的Ti-CdIn2S4样品薄膜的XRD图谱, 与 说明书 5/7 页 8 CN 111139441 A 8 JCPDS#27-0060标准卡片比对, 。
29、该样品为纯尖晶石八面体结构相。 主要的衍射特征峰位 14.20 -69.31 范围内从小到大相对应的晶面为(111)、 (220)、 (311)、 (222)、 (400)、 (422)、 (511)、 (220)、 (620)、 (551)、 (731)和(800)。 从该图谱中还发现两个现象, 一是随着Ti含量 的增加, 各特征峰峰位会逐渐轻微的向大角度方向偏移, 原因是Ti离子半径小于Cd 离子半径和In离子半径二是除了(311)晶面对应的峰强随Ti含量增加 逐渐减弱外, 其它特征峰在逐渐增强, 原因是Ti的掺杂, 引起晶格内部各晶面择优生长。 0072 见图4, 为再次确认Ti-CdI。
30、n2S4样品薄膜是纯尖晶石结构相, 测试了Ti-CdIn2S4样 品的拉曼光谱。 掺杂Ti元素后的T-CIS3样品薄膜的谱线与纯CdIn2S4样品相比较, 并未出现 其它杂峰, 表明T-CIS3样品是纯的尖晶石结构, 只是因Ti元素的掺入, 引起峰位向低频段发 生微偏移。 A1g峰强相对变弱, 原因是Ti原子的掺入和CdIn2S4基体原子间的化学性质以及质 量存在差异。 0073 综上分析, 利用本发明Ti掺杂CdIn2S4的中间带薄膜的制备方法, 制备的Ti- CdIn2S4样品薄膜经过物相分析为纯尖晶石结构相。 0074 二、 吸收层形貌分析 0075 Ti-CdIn2S4样品薄膜的中间带。
31、吸收材料最终是要应用到薄膜太阳电池中, 其表面 形貌会直接影响太阳电池的效率。 图5为经过500退火处理的Ti-CdIn2S4薄膜样品的SEM 图。 由图可见, 随Ti含量的增加, 薄膜表面晶体颗粒逐渐变大, 有孔洞现象出现, 导致相对电 阻率增大, 原因是交替镀膜方法的弊端导致相对电阻率增大。 0076 见图6, 图6展示了Ti-CdIn2S4样品组成化合物的各元素分布情况, 图6为500下退 火处理的T-CIS3中间带薄膜表面元素分布图。 从图中看出组成化合物Ti-CdIn2S4样品的各 元素分布均匀。 0077 三、 吸收层元素测试及成分分析 0078 图7和图8分别为CdIn2S4和T。
32、-CIS3薄膜的EDAX图谱。 实施例3尖晶石结构的T-CIS3 薄膜分别由Ti, Cd, In和S元素组成。 实施例1和实施例2的Ti-CdIn2S4薄膜样品也有类似结 果, 不在展示。 结合表3, 表3为500下退火处理的样品Ti-CdIn2S4薄膜的化学成分, 通过图 示和表格数据, 发现各样品都存在贫硫现象, 其原因是硫的低沸点造成的。 随Ti原子含量的 增加, In原子的含量也在逐渐增加, 但Cd/(In+Ti)的值变化较小, 说明Ti原子替代Cd原子的 概率较大, 但不排除少量替代In原子的可能性。 0079 表3 0080 0081 0082 综上, 经过吸收层形貌分析和吸收层元。
33、素测试及成分分析, 得出结论为利用本发 明Ti掺杂CdIn2S4的中间带薄膜的制备方法, 制备的Ti-CdIn2S4样品薄膜, 其中Ti原子替代 了大量的Cd原子完成了掺杂。 说明书 6/7 页 9 CN 111139441 A 9 0083 四、 吸收层光电性能的分析和研究 0084 见图9, 其为在500下分别快速退火15min、 20min和25min制备的T-CIS3样品薄膜 的UV-vis-NIR吸收光谱图。 从图中可以发现退火时间不同时, 光吸收曲线的变化趋势是一 致的, 说明退火时间不会影响中间带位置的变化。 当退火时间为20min时, 整体光吸收强度 最强。 0085 见图10。
34、, 其为500下退火处理20min后得到的CdIn2S4和Ti-CdIn2S4样品薄膜的 UV-vis-NIR吸收光谱。 经过对比光吸收曲线图显示, 与未掺杂样品相比, 掺杂Ti元素后的光 吸收强度明显增强, 并且随着Ti掺杂量的增加吸收强度也在增强。 对于T-CIS3样品薄膜, 除 了拥有相应CdIn2S4的光吸收带边响应2.32eV外, 还有两个额外的子带隙光学吸收边, 分别 位于约760nm(1.63eV)和1150nm(1.07eV)处, 相应于电荷从价带(简称CB)跃迁到IB和从IB 跃迁到导带(简称VB), 表明掺入Ti元素后部分填充的杂质带形成。 从样品T-CIS1, T-CIS。
35、2薄 膜的光吸收谱线来看, 整体吸收曲线在均匀增强。 0086 见图11, 其为Ti-CdIn2S4样品薄膜的瞬态光电流响应曲线图谱, 该图谱应用标准太 阳光模拟器周期性的开关光源, 光强度100mW/cm2, 周期为20秒, 其中, 10秒亮10秒暗, 照射 样品测试所获得。 当模拟器光源由暗变亮时, 样品光电流迅速增强几秒钟后达到稳定状态, 当灭光时, 样品光电流瞬间减弱几乎为零。 不同Ti含量的样品变化趋势相同, 但随着Ti含量 的增加, 亮光时光电流增强幅度大。 说明通过掺杂Ti元素, 基体半导体CdIn2S4可以吸收可见 光-红外光源范围内的光子, 增多光生载流子降低电子-空穴对复合。
36、, 从而增强光电流, 这一 现象再次证明掺杂Ti元素可以在尖晶石结构的CdIn2S4样品能带结构中形成IB。 0087 结合图3的Ti-CdIn2S4吸收层XRD图和图4的拉曼图谱分析结果得到, Ti离子既可能 部分替代Cd离子, 也可替代In离子。 当In离子被Ti离子部分替代时, 会在原能带结构中出现 IB, 该带主要由Ti自旋向上的3d态形成, 但S的p态也有较小的贡献, 且Fermi能级穿过该IB, 而使材料呈现金属性, 从而表明该IB为部分填充。 0088 结合上述实施例和图示数据分析, 本发明制备的Ti-CdIn2S4中间带薄膜, 采用交替 磁控溅射法结合保护气氛下退火处理制备出纯。
37、尖晶石结构的Ti-CdIn2S4薄膜。 其UV-vis- NIR光吸收谱显示: 除了相应于CdIn2S4的光吸收带边响应(光学带隙为2.32eV), 位于约760 和1150nm处还有两个额外子带隙光学吸收边, 说明有部分填充的中间带形成。 这样引入了 多个中间带, 从而提高了光吸收强度。 0089 并且, 本发明制备的Ti-CdIn2S4中间带薄膜组成元素及薄膜表面晶体颗粒尺寸分 布均匀, 且至少能够形成一条杂质带, 从而提高了材料的光吸收强度。 同时, 本发明制得的 基体半导体Ti-CdIn2S4可以吸收可见光-红外光源范围内的光子, 增多光生载流子降低电 子-空穴对复合, 从而增强光电流。
38、。 0090 以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明, 所属本技术领域的技术人员对 所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代, 只要不偏离本发明 的结构或者超越本权利要求书所定义的范围, 均应属于本发明的保护范围。 说明书 7/7 页 10 CN 111139441 A 10 图1 说明书附图 1/10 页 11 CN 111139441 A 11 图2 说明书附图 2/10 页 12 CN 111139441 A 12 图3 说明书附图 3/10 页 13 CN 111139441 A 13 图4 说明书附图 4/10 页 14 CN 111139441 A 14 图5 说明书附图 5/10 页 15 CN 111139441 A 15 图6 说明书附图 6/10 页 16 CN 111139441 A 16 图7 图8 说明书附图 7/10 页 17 CN 111139441 A 17 图9 说明书附图 8/10 页 18 CN 111139441 A 18 图10 说明书附图 9/10 页 19 CN 111139441 A 19 图11 说明书附图 10/10 页 20 CN 111139441 A 20 。
- 内容关键字: Ti 掺杂 CdIn
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