《武汉工程大学学报》 2015年12期
49-52
出版日期：2016-01-14
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
溶胶－凝胶法制备硫化亚锡薄膜及其光电性能
０ 引 言随着资源短缺和环境污染问题的日益严重，寻找和开发新能源是每一位相关科研工作者追求的目标. 太阳能符合无污染、可持续发展的要求而成为了具备超大规模开发潜力的新能源. 将太阳能转换成电能是其发展的一个重要方向，因此，寻找和研发出性能好的太阳能电池材料是充分利用太阳能的关键所在. 硫化亚锡（ＳｎＳ）是地球上含量十分丰富的潜在光伏材料，特别是硫和锡这两种原料的无毒性十分引人关注［１］. ＳｎＳ由于其特定的晶体结构，具有高的化学稳定性，并且可制成失配固态结和薄膜状等形态. 此外，ＳｎＳ晶体的光学直接能带隙为１．０８～１．４０ ｅＶ，比较靠近太阳能电池的理论最佳禁带宽度１．５０ ｅＶ，吸收系数大于１０４ ｃｍ－１，因此，ＳｎＳ非常适合用于制备太阳能电池材料［２］. ＳｎＳ可以采用多种方法制备，例如：溶胶－凝胶法［３］、真空蒸发法［４］、电沉积法［５］和两步法等. 溶胶－凝胶法可使无机材料具备光、电等特殊功能，且制备的产品有较好的均匀性和高的纯度，工艺温度较低［６－７］. 基于溶胶－凝胶法的优点，本研究采用该方法制得ＳｎＳ薄膜材料，并对其性能进行相关的测试与表征，得出一些相应的研究结论. １ 实验部分１．１ 实验材料二水合氯化亚锡，分析纯；硫脲，分析纯；单乙醇胺，分析纯；无水乙醇，分析纯；丙酮，分析纯；重铬酸钾，分析纯；２－甲氧基乙醇，分析纯. １．２ 实验仪器超声波清洗器（ＫＱ３２００Ｅ），台式匀胶机（ＫＷ－４Ａ型），真空电磁炉（ＯＴＦ－１２００Ｘ），电热鼓风干燥箱（１０１型），微量注射器，电子天平. １．３ ＳｎＳ薄膜材料制备过程将硫脲与二水合氯化亚锡以摩尔比为１．２５的比例加入单口烧瓶中，并加入微量的２－甲氧基乙醇和单乙醇胺，充满氩气，置于８０ ℃水浴锅中进行磁力搅拌２ ｈ. 之后，将所得胶体产品放在６０ ℃恒温烘箱中１２ ｈ，待用. 实验先制备５个相同，均镀有４层膜的样品. 其每层镀膜过程为，将洗净干燥好的玻璃基片装于均胶机上，用胶头滴管将上述烘好的胶体均匀地滴在玻璃基片上进行镀膜. 待薄膜生成后，立即将玻璃基片放入在被氩气充满的电磁炉中，并加热至２００ ℃保温０．５ ｈ，除去有机物. 之后依次按照同样的方法进行后续膜层的镀制过程. 当在镀有４层膜的样品基础上镀完第５层膜后，将制得的５个样品置于氩气环境下，分别加热至３００ 、３５０、４００、４５０和５００ ℃，均保温０．５ ｈ后退火得到５种目标样品，编上编号待测. ２ 结果与讨论２．１ ＸＲＤ图谱分析对由溶胶－凝胶法制得的ＳｎＳ薄膜进行了ＸＲＤ表征，得出在不同退火温度条件下所制备样品的ＸＲＤ图，如图１所示. 图１ 不同退火温度条件下样品的ＸＲＤ图Ｆｉｇ．１ ＸＲＤ ｐａｔｔｅｒｎｓ ｏｆ ｓａｍｐｌｅｓ ｐｒｅｐａｒｅｄ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｎｎｅａｌｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ从图１中可以看出，在温度为３００ ℃时，薄膜只在２θ为１５°附近出现硫化锡的特征衍射峰；在温度为３５０ ℃时，薄膜开始在２θ为３２°附近出现一个比较明显的硫化亚锡特征峰；在温度为４００ ℃和４５０ ℃时，薄膜除在２θ为３２°附近出现一个比较明显的硫化亚锡特征峰外，在２θ为２７°附近出现了第二个较明显的硫化亚锡（１２０）晶面特征衍射峰. 最后，在温度为５００ ℃时，薄膜中已经检测不到硫化锡的特征峰了，此时硫化亚锡的特征峰非常尖锐明显. 由上可得，随温度的升高，薄膜的厚度逐渐升高，ＳｎＳ的含量亦逐渐升高，其原因是ＳｎＳ沿（１２０）晶面择优生长，晶粒在退火过程中逐渐增大；此外，随温度的升高，硫化亚锡的特征峰变得越来越尖锐明显. ２．２ 霍尔效应表征为了研究ＳｎＳ薄膜的各种电学性质，对其进行了霍尔效应测试表征，其结果如表１所示. 从表１中可以看出，在不同温度条件下退火得到的样品类型均为ｎ型半导体. 将电子迁移率随退火温度的变化情况作成曲线，如图２所示. 从图２可以看出，退火温度对电子迁移率具有较大的影响，其影响总趋势是薄膜中电子的迁移率随着退火温度的升高而升高. 经分析，其主要原因是ＳｎＳ晶体颗粒几何尺寸和结晶度受退火温度的影响，随着退火温度的升高，制得的ＳｎＳ晶体颗粒几何尺寸越大，且结晶度也相应有所增加，从而使得晶界缺陷密度降低，散射减少，最终结果导致电子迁移率增加. 表1 样品的霍尔效应测试结果Table 1 Results of Hall effect test of samples图２ 薄膜的电子迁移率随退火温度的变化曲线Ｆｉｇ．２ Ｃｈａｎｇｉｎｇ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｏｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｆｉｌｍｓ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｎｎｅａｌｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ图３为薄膜的面电阻随退火温度的变化曲线. 从图３可以看出，退火温度对面电阻也有较大的影响. 面电阻在３００ ℃和３５０ ℃两个温度条件下退火时，薄膜的面电阻没有太大的变化，而在４００ ℃条件下退火时，面电阻达到了最大值，随后在４５０ ℃退火时，单位面积电阻率又发生了较大的下降，之后在５００ ℃退火时，其面电阻变化不大. 图４为薄膜的体电阻率随退火温度的变化曲线. 由图４可知，薄膜体电阻率开始随着退火温度的升高而不断上升，至温度为４００ ℃时达到最大值７．８９２ ５ Ω·ｍ，当退火温度进一步升至４５０ ℃时，体电阻又降至０．７３３ ７ Ω·ｍ，之后变化不大. 图５为薄膜的体电导率随退火温度的变化曲线. 从图５中可知，退火温度从３００ ℃到４００ ℃时，体积电导率不断的降低. 这是由于随着退火温度的上升，ＳｎＳ小晶粒不断发生团聚，晶体结构遭到破坏，缺陷密度和晶界散射大幅增加，阻碍载流子的定向迁移，载流离子浓度大大降低，从而降低了电导率. 当退火温度在４００ ℃到４５０ ℃时，ＳｎＳ薄膜晶体结晶性更好，晶粒尺寸增大，所以电导率随着退火温度的升高而增大. 而当退火温度高于４５０ ℃时，薄膜的择优取向性随温度的升高反而变差，导致了体电导率升高速度变慢，甚至有缓慢降低.图３ 薄膜的面电阻随退火温度的变化曲线Ｆｉｇ．３ Ｃｈａｎｇｉｎｇ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ａｒｅａ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｆｉｌｍｓ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｎｎｅａｌｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ图４ 薄膜的体电阻率随退火温度的变化曲线Ｆｉｇ．４ Ｃｈａｎｇｉｎｇ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｂｕｌｋ ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｆｉｌｍｓ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｎｎｅａｌｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ图５ 薄膜的体电导率随退火温度的变化曲线Ｆｉｇ．５ Ｃｈａｎｇｉｎｇ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｂｕｌｋ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｆｉｌｍｓ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｎｎｅａｌｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ２．２ 紫外可见谱光表征为了研究试样的紫外光透过率，将由溶胶－凝胶法合成的薄膜做紫外光透过率检测，结果如图６所示. 图６ 试样的紫外光透过率Ｆｉｇ．６ ＵＶ ｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｓａｍｐｌｅｓ从图６可以观察到，在２００~４００ ｎｍ范围内，薄膜紫外光的透过率都很低，当超过４００ ｎｍ时，退火温度为３００ ℃时的薄膜，其紫外光的透过率随波长的增加而迅速增加，并且其增加速度是最快的；在退火温度为３５０、４００和４５０ ℃时得到的ＳｎＳ薄膜，其紫外光透过率在波长超过６００ ｎｍ时，紫外光透过率开始随波长的增加而逐渐增加，且增加速度大致相同，最后退火温度为３５０ ℃时的薄膜透过率稍高，４００ ℃时的透过率最低，４５０ ℃时的透过率居中. 因此结合图１分析可得，硫化锡对紫外光有较好的透过率，而硫化亚锡的紫外光的透过率很差. ３ 结 语1）镀第五层膜后的退火温度对最后薄膜的组成有较大的影响，最后的退火温度越高，硫化亚锡的含量也就越高；2）在硫与锡的物质的量之比为１．２５∶１时，薄膜几乎都是ｎ型半导体；3）硫化锡的导电性能很差，而硫化亚锡有很好的半导体性能；4）硫化锡对紫外光有很好的透过率，随着硫化亚锡含量的增加，对紫外光的透过率逐渐降低.