電沉積法制備CuInS₂薄膜

摘 要：本文介紹了CuInS2薄膜的概念和用途，闡述了電沉積法制備薄膜的方法，著重介紹了制備過程中電極和沉積液等參數的設置，并且對薄膜進行掃描電鏡和XRD表征。

關鍵詞：CuInS2薄膜；電沉積

1 CuInS2薄膜簡介

CuInS2薄膜是三元I-III-VI族化合物半導體，具有三個同素異形的晶體結構，即黃銅礦，閃鋅礦和未知結構。其光吸收系數能達到（1～6）×105cm-1，并且禁帶寬度接近與太陽能電池所需的禁帶寬度的最佳值相近（1.45eV），并且具有本征缺陷自摻雜特性，允許成分與化學計量的偏差的范圍寬的特性，是最具發展前途之一的太陽能電池類材料[ 1 ]。

2 CuInS2薄膜的制備方法

目前制備CuInS2薄膜的方法有真空蒸鍍法、涂覆法、硫化法、濺射法、噴霧熱解法、化學浴法、電沉積法、離子層反應法等。其中電化學沉積法是一種非真空的制備方法，與其他制備方法相比，其成本低、原料利用率高，能夠大面積生產，而且具有產量高和環境友好等特點。同時在制備的過程中可獲得較厚的鍍層，化學組成易于控制，因此成為最具有發展前景的制備CuInS2薄膜的方法之一。

電化學制備CuInS2薄膜的的工業化制備的工藝主要有一步電沉積法和兩步電沉積法[ 2 ]。一步電沉積法在制備黃銅礦結構的CuInS2時伴隨有CuxS等多余相；兩步電沉積法先在底襯上制備Cu和In的合金預制膜，再通過硫化退火得到CuInS2薄膜。

本實驗所用的是電沉積法，首先在含有In和Cu的溶液中先恒電位沉積制備Cu-In合金預制膜，再在管式電阻爐中使用足量的升華硫硫化退火，得到多晶的CuInS2半導體薄膜。

3 實驗方案設計

實驗中以氯化銅（CuCl2）為薄膜的銅源，氯化銦（InCl3）為銦源，升華硫（S）為硫源，通過電化學沉積法在恒電位下制備Cu-In合金預制膜，在通過硫化退火得到銅銦硫薄膜。

電沉積裝置示意圖見圖1。

實驗中參數設置：

3.1 工作電極的選擇

ITO導電玻璃具有電率高，表面光滑等優點，利用導電玻璃作為基底可以準備出表面平整致密的薄膜，在硫化熱處理后底襯不變形仍具有良好的導電功能，與CuInS2薄膜結合了良好[ 3 ]。

3.2 沉積液組成

電沉積制備Cu-In合金預制膜的銅源為CuCl2，銦源為InCl3。由于Cu、In的沉積電位相差較大，加入三乙醇胺作為絡合劑，使兩者的沉積電位接近，以達到共沉積的目的。

電沉積過程中析氫作用導致電解液pH變化，選擇檸檬酸鈉作為維持pH的緩沖劑。

3.3 沉積電位的確定

以ITO導電玻璃為工作電極，金屬鉑網為輔助電極，飽和甘汞電極（SCE）為參比電極組成三電極體系，電解液為CuCl2（5mM）、InCl3（5mM）、檸檬酸鈉（0.015M）、三乙醇胺（0.2M），用硫酸調節pH至5.5左右時加入5mM的氯化銦，最后再用硫酸調節pH至4.00。用循環伏安法進行掃描，掃描范圍為0～-1500mV，掃描速度為50 mV/s。

3.4 CuInS2薄膜表面形貌分析

圖2為不同沉積電位的CuInS2薄膜的掃描電鏡圖，從圖中可以看出，當沉積電位為-1030mV時，薄膜表面均勻分布顆粒狀物質；當沉積電位為-1015mV時，薄膜表面均勻分布短棒狀結構；當電位為-1000時，短棒狀結構增多，均勻分布在薄膜表面。沉積電位繼續減少時，短棒狀結構開始消失，CuInS2薄膜表面連成一片。

3.5 X-射線衍射分析

圖3為不同沉積電位下制備的CuInS2薄膜的X射線衍射圖譜，其中特征衍射峰（112）、（004）/（200）、（204）/（220）和（116）/（312）與CuInS2晶體的特征衍射峰一致。

從圖中可對比出，當電位為-1000mV時，（112）晶面的衍射峰最強，而且半峰寬窄，說明結晶程度高，晶粒尺寸大。當沉積電位過大或過小時（112）晶面的衍射峰都會減小。

4 總結

采用三電極體系運用電化學沉積法制備出Cu-In合計預制膜，在有足量升華硫的管式電阻爐中硫化退火得到CuInS2薄膜。薄膜表面分布均勻的短棒狀結構，短棒狀結構之間有微孔，有清晰的界面，這些短棒狀結構和微孔增加了薄膜的表面積。通過XRD測試薄膜，特征衍射峰（112）、（004）/（200）、（204）/（220）和（116）/（312）與CuInS2晶體的特征衍射峰一致。

參考文獻：

[1] 周少雄，方玲.CuInS2薄膜太陽能電池[J].物理，2007，36（11）.

[2] 邵嬋.CuInS2薄膜的電沉積制備及其光電性能的研究[D].北京：北京化工大學，2011.

[3] 李琦.CuInS2薄膜太陽能電池的制備和表征[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2014.

作者簡介：

鄭麗（1988-），女，寧夏人，研究方向：材料工程技術。