第53卷2017年第5期 Vo1.53 2O17 No.5 西北师范大学学报(自然科学版) 41 Journal of Northwest Normal University(Natural Science) DOI:10.16783/j.cnki.nwnuz.2017.05.008 Cu2SnS3薄膜的溶液法制备及表征 孙爱民 ,徐 斌 ,赵 霎 ,董 延 ,张 猛 (1.西北师范大学物理与电子工程学院,甘肃省原子分子物理与功能材料重点实验室,甘肃兰卅I 730070; 2.中国科学院兰州化学物理研究所,清洁能源化学与材料实验室,甘肃兰州 730000) 摘要:采用溶液法在玻璃基底上制备了CuzSnS。薄膜,研究了不同退火温度对Cu。SnS。薄膜性能的影响,采用X射线 衍射仪、拉曼光谱仪、场发射扫描电子显微镜和紫外一可见分光光度计分别表征了薄膜的物相结构、形貌和光学性能. 结果表明,退火温度对CuzSn 薄膜的相结构、形貌及光学性能有显著影响,随着退火温度的升高,薄膜中的晶粒尺 寸明显增大,结晶性也有所增加;退火温度为500℃时,可以生成单相的CuzSnS。薄膜;在不同退火温度下所制备薄 膜的禁带宽度均接近1.05 eV. 关键词:Cu2SnS3薄膜;溶液法;退火温度 中图分类号:O 469 文献标志码:A 文章编号:1001—988X(2017)05—0041—04 Characterization of the Cu2 SnS3 thin films prepared by solution method SUN Ai—min ,XU Bin ,ZHAO Yun ,DONG Yan ,ZHANG Meng (1.Key Laboratory of Atomic and Molecular Physics 8L Functional Materials of Gansu Province, College of Physics and Electronic Engineering,Northwest Normal University,Lanzhou 730070,Gansu,China; 2.Laboratory of Clean Energy Chemistry and Materials,Lanzhou Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences,Lanzhou 730000,Gansu,China) Abstract:In this paper,a solution approach for direct synthesizing Cu2 SnS3 thin films on the soda lime glass substrate is reported.The effects of the annealing temperatures on Cu2 SnS3 thin films are investigated.X—ray diffraction patterns,Raman spectroscopy,field—emission scanning electron microscopy and UV—vis spectroscopy are used to represented the compositional,structural and optical properties.The preliminary results indicate that the grain size and crystallinity increase with increasing of the annealing temperature.Single—phase Cu2 SnS3 thin film can be synthetized at 500℃.All the samples corresponds to a direct band gap of about 1.0 5 eV. Key words:Cu2 SnS3 thin film;solution method;annealing temperature P型半导体CuzSnS。(CTS)薄膜太阳能电池吸 收层材料由于具有较高的光吸收系数(> 10 cm )、适宜的光学带隙(0.92~1.35 eV)与所 收稿日期:2017—03—26;修改稿收到日期:2017—05—21 含元素在地壳中含量丰富等优点受到了国内外的关 注 ,CTS的理论能量转换效率达到3O%,展现 出极大的商业潜力 .制备CTS薄膜的方法大致 基金项目:国家自然科学基金资助项目(21401203) 作者简介:孙爱民(1962一),男,甘肃渭源人,教授,博士.主要研究方向为低温与超导物理 E-mail:amsun@nwnu.edu.cn *通讯联系人,男,助理研究员,硕士.主要研究方向为光电材料与器件.E—mail:zhyq@licp.cas.en 西42 北师范大 学 学报(自然科学版) 第53卷 Vo1.53 Journal of Northwest Normal University(Natural Science) 可分为真空法和非真空法.Nakashima等 通过 连续蒸发Na/Cu/Sn金属前驱体层,在含有硫和锡 对薄膜进行了XRD分析.图1为CTS前驱体薄膜 分别在400,500,540和580℃下退火10 min所得 的气氛中570℃退火,制备了转换效率可达 4.64 的CTS薄膜太阳能电池.然而,采用真空 样品的XRD图谱.从图l可以看出,400~580℃ 条件下退火的CTs薄膜均在20—28.4。,47.3。, 56.1。处出现明显的CTS特征峰(JCPDS Card No.27 0198).随着退火温度的升高,CTS的特征 方法沉积CTS薄膜对设备的要求较高,生产成本 大.相比之下,非真空方法对设备要求低,生产成 本较低,被广泛应用于CTS薄膜的制备中,如化 学浴沉积法 ]、喷雾热解法_6 、电沉积法¨7 J、连 衍射峰变得明显而尖锐,说明薄膜的结晶性随着温 度的升高而变好.而当退火温度升高至540℃时, 续原子层吸附反应法ll叩与溶液旋涂法[1 . Suryawanshi等通过旋涂含有Cu和Sn元素的水基 前驱体溶液形成前驱体膜,用硫化处理的方法制备 的CTS薄膜太阳能电池的转换效率达到1.8 ll . 目前,所有制备CTS薄膜太阳能电池的方法中均 采用了后期硫化处理过程.但是,在硫化过程中通 常要加入过量的硫粉或通入有毒的硫化氢气体,导 致制备过程过于复杂,也会引起环境污染和原材料 浪费等问题.因此,开发一种不涉及后硫化过程制 备高质量CTS薄膜的溶液方法,对其在薄膜太阳 能电池领域的应用具有重要意义.文中通过溶液旋 涂法成功制备了CTS薄膜,并研究了退火温度对 其物相结构、表面形貌和光学性能的影响. 1 实验部分 将醋酸铜Cu(CH。cO())2・H 2O(0.738 mol・ L )、无水氯化亚锡SnC1。(0.41 mol・L )和硫脲 (2.3 tool・I 一 )依次溶解到二甲基亚砜(DMSO)中, 于常温下搅拌2 h后得到均匀的澄清透明的浅黄色 CTS前驱体溶液.溶液中金属元素的质量比控制 为Cu/Sn一1.8,硫元素与金属元素的质量比控制 为s/(Cu+Sn)一2.在N。环境下采用旋涂法在玻 璃基底上制备CTS前驱体薄膜,旋涂速率为2 000 r・rain一,旋涂时间为20 S,随后在恒温加热台上 320℃干燥2 min,重复8次形成所需厚度的前驱 体薄膜,将前驱体薄膜在管式炉中N 气氛下400 ~580℃退火处理10 min得到CTS薄膜. 采用X射线衍射仪(XRD)和拉曼光谱仪 (Raman)分析薄膜的物相组成;采用场发射扫描电 子显微镜(FE—SEM)对薄膜形貌进行分析;采用紫 外一可见分光光度计(UV—vis)测量薄膜的光学性能. 2结果与讨论 2.1 物相结构分析 为了研究退火温度对CTS薄膜相成分的影响, 在20—26.7。,30.1。,33.6。处出现了Cu SnS 杂相 的特征峰(JCPDS Card No.27—0196).温度继续升 高至580℃时,Cu SnS 特征峰的强度随之增强, 出现Cu SnS 杂相的主要原因可归因于过高热处 理温度会使薄膜表面附近S和Sn挥发,从而导致 在薄膜表面形成贫硫环境.文献报道在此环境下易 形成Cu SnS ,如Zawadzki等曾报道,在制备 CTS薄膜时,若 >0.62( 一Cu/(Cu+Sn)),贫 硫条件下更易生成Cu SnS 【 ,而本实验中Cu/ (( U+Sn)===0.643. 2 /(。) 图l 不同退火温度条件下所制备CTS 薄膜的XRD图谱 Fig 1 XRD patterns of CTS thin films annealed at different temperature Raman shift/cm 图2不同退火温度条件下所制备CTS 薄膜的Raman图谱 Fig 2 Raman spectra of CTS thin films annealed at different temperature 2O17年第5期 2O17 NO.5 孙爱民等:Cu:SnS 薄膜的溶液法制备及表征 Characterization of the Cu 2 SnS3 thin films prepared by solution mm hod 43 为进一步研究退火温度对薄膜相成分的影响, 采用拉曼光谱对所制备的样品进行了表征(如图 2).从罔2可以看出,在不同退火温度下,样品均 Cu SnS.量变大.这与XRD和Raman的分析结果 相吻合. 根据XRD。Raman和FE—SEM结果可知,退 在290和352 cn1 都存在明显的拉曼峰,这些峰 均是CTS的特征峰l】 .随着退火温度的提高, 290和352 cnl 主峰强度明显增强.当退火温度大 于540 D(1、时,在314,3l8和372 cnl 处出现微弱 火温度对薄膜的物相结构以及形貌有很大的影响. 随着退火温度的升高,薄膜的品粒逐渐变大,结晶 性也逐渐变好,在退火温度低于540℃时,薄膜物 相组成为纯相CTS.当温度大或于等于540℃时, 的拉曼峰,根据文献报道,在31 4 ̄:'I1372 cm 的拉 曼峰也属于单斜相CTS的特征峰….而318 ClTI 薄膜物相组成为CTS和Cu SnS,的混合相. 2.3光学性能分析 处的拉曼峰则属于Cu,SnS 的特征峰 .这与 XRD分析结果吻合. 2.2 形貌分析 为了研究退火温度对CTS薄膜的光学性能的 影响,采用紫外一可见分光光度计表征了CTS薄膜 的光吸收谱.图4a为CTS薄膜的光吸收谱图,图 4b-e为CTS薄膜的光学带隙计算冈,其中a和^ 分别表示薄膜的光吸收系数与光子能量.从图4a 可知。在可见光范围内不同退火温度下制备的 CTS薄膜都有较强的吸收,表明制备的CTS是一 图3为不同退火温度下制备CTS薄膜的表面 和断面SEM形貌.从图3可以看 .退火温度为 400℃时,薄膜表面与断面均由小品粒构成,且非 常地平整致密.当退火温度升高至500℃,品粒尺 寸逐渐长大。薄膜中有少量孔洞形成.退火温度继 续升高至540℃时,薄膜表面孑L洞较500℃时有所 增多,品粒尺寸明显变大,且有孔洞产生.值得注 意的是.在54()℃、时,薄膜形成了南顶部小颗粒层 和底部大颗粒层组成的双层结构,结合XRD和 Raman结果分析.顶部小颗粒层的物相组成为 Cu SnS;.底部大颗粒层的物相组成为CTS.当退 火温度升高至580℃时.薄膜表面变得更加平整致 密且颗粒尺寸变小.同时,底部大颗粒层的颗粒尺 寸明显长大.但孔洞随之增多,薄膜断面的双层结 构更加明显.顶部小颗粒层厚度增加.表明生成的 一量 U : > 、 .^ 1图4 不同退火温度条件下所制备CTS薄膜的光 a 400℃;b 500℃;C 540℃;d 58O℃ 吸收系数曲线(a)和光学带隙计算(b-e) Fig 4 UV—vis absorption spectra of CTS thin films annealed at different temperature(a), (ahv) VS h plots of absorption data for the determination of energy band gap(b-c) 图3 不同退火温度条件下所制备C'I、S薄膜的 表面和断面FE—SEM形貌 Fig 3 The morphologies of CTS thin films annealed at different temperature 西44 北师范大 学 学 报(自然科学版) 第53卷 Vo1.53 Journal of Northwest Normal University(Natural Science) 种适用于薄膜太阳电池的吸收层材料.(ahv) hv r 7]BERG D M,DJEMOUR R,GUTAY I ,et a1. Thin film solar cells based on the ternary compound 图谱线性部分延长线与横坐标轴的交点对应的数值 即为CTS薄膜的禁带宽度.由图4b—e可知,在 400,500,540和580℃下制备的CTS薄膜禁带宽 度分别为1.12,1.05,1.07和1.11 eV,与文献报 道基本一致[1。。 . Cu2SnS3LJ]. 6291. Solid Films,2012,520(19): r 8] KOIKE J,CHINO K,AIHARA N,et a1. Cu2 SnS3 thin—film solar cells from electroplated precursors[J].Jap J Appl Phys,2012,51: 3 结束语 采用溶液旋涂法在玻璃基底上沉积CTS前驱 体薄膜,尔后进行高温退火处理.初步研究了退火 温度对CTS薄膜相结构、形貌及光学性能的影响. 结果表明,在400℃时,CTS薄膜平整致密,但 晶粒尺寸较小;温度升高至500℃时,薄膜晶粒尺 寸变大且无杂相生成;温度继续升高至540~ 580℃,薄膜形成由顶部小颗粒层和底部大颗粒层 组成的双层结构,有明显的孔洞生成,且有 Cu SnS 杂相产生,薄膜质量降低.最后,研究了 CTS薄膜的光吸收特性. 参考文献: [1] FEMANDES P A,SALOME P M P,da CUNHA A F.A study of ternary Cu2 SnS3 and Cu3 Sns 4 thin films prepared by sulfurizing stacked metal precursors I-J].J Phys D:ApplPhys,2010,43:215403. [2] KANAI A,T0Y0NAGA K,CHIN0 K,et aL Fabrication of Cu2 SnS3 thin film solar cells with power conversion efficiency of over 4 [J]. Japanese Journal of Applied Physics,2015,54: O8KCO6. [3] AVELLANEDA D,NAIR M T S,NAIR P K. Cu2 SnS3 and Cu4 SnS4 thin films via chemical deposition for photovoltaic application[J]. J Electrochem Soc,2010,157(6):D346. [4] NAKASHIMA M,FUJIMOTO J,YAMAGUCHI T,et a1.Cu2 SnS3 thin—film solar cells fabricated by sulfurization from NaF/Cu/Sn stacked precursor[J]. Applied Physics Express,2015,8(4):042303. [5] WANG Y G,LI J M,XUE C,et a1.Investigation of the sulfurization process of Cu2 SnS3 thin films with stacked layers CBD-Cu/SnS by rapid thermal process [J].Materials Letters,2016,178:1O4. [6] JIA Z, CHEN Q M, CHEN J, et a1.The photovoltaic properties of novel narrow band gap Cu2 SnS3 films prepared by a spray pyrolysis method [J].RSCAdv,2O15,5(37):28885. 10NC34. r 9] MATHEWS N,BENITEZ J T,PARAGUAY— DEGADO F,et a1.Formation of Cu2 SnS3 thin film by the heat treatment of electrodeDosited SnS-Cu layers[J].J Mater Sci:Mater Electron,2013, 24(10):4060. rlO]su z H,SUN K W,HAN z I ,et a1.Fabrication of ternary Cu— Sn— S sulfides by a modified successive ionic layer adsorption and reaction(SILAR)method [J].J Mater Chem,2O12,22(32):16346. [11]LI J M,HUANG J L,ZHANG Y,et a1.Solution— processed Cu2 SnS3 thin film solar cells[J].RSC Adv,2016,6:58786. [12] suRYAwANsHI M P,GHORPADE U V,SHIN S W,et a1.A simple aqueous precursor solution processing of earth-abundant Cu2 SnS3 absorbers for thin-film solar cells[J].ACS Appl Mater Inter ce5,2016,8:l1603. 1 13 I ZAWADZKI P, BARANOESKI I , PENG H, et a1.Evaluation of photovoltaic materials within the Cu—sn—S family[J].Applied Physics Letters。2013。 103(25):253902. [14]BERG D M,DJEM0UR R,GUTAY I ,et a1. Raman analysis of monoclinic Cu2 SnS3 thin films[J]. Appl Phys Lett,2012,100(19):192103. [15] cHENG A J,MANNO M,KHARE A,et a1. Imaging and phase identification of Cu2 ZnSnS4 thin films using confoeal Raman spectroscopy[J]..,、 c Sci Technol A,20l1,29(5):051203. [16]杜金会,于振瑞,张加友,等.Cu2sns3薄膜的制备 及性能研究[J].光电子技术,2004,24(3):151. [17]郭一欣,陈菲,任晓荣,等.金属前驱体比例和硫 化温度对Cu—Sn-S薄膜特性的影响[J].人工晶体学 报。2015,44(4):939. [18] GHoRPADE U V,SURYAWANSH M P,SHIN S W,et a1. Colloida1 Wurtzite Cu2 SnS3 (CTS) nanocrystals and their applications in solar cells[J]. Chem Mater,2016,28:3308. (责任编辑孙对兄)