三元共电沉积法制备Cu₂ZnSnS₄薄膜

刘艳¹，肖岗²，张耀予¹，王鹤²，辛松²，林一歆^1,2

1. 华中科技大学中欧清洁与可再生能源学院2. 华中科技大学能源与动力工程学院

摘 要：利用三元共电沉积制备金属前驱体,经预加热和硫化热处理后,成功合成了Cu₂ZnSnS₄薄膜。借助循环伏安法确定三元共沉积电位为E=-1.25V,考察pH值和电解液离子浓度对金属前驱体元素成分和物相的影响,筛选出电沉积的最佳工艺参数（8mmol/L SnSO₄,22mmol/L CuSO₄·5H₂O,22mmol/L ZnSO₄·7H₂O,200mmol/LNa₃C₆H₅O₇·2H₂O和pH值=5.7）,沉积到成分比例接近最佳元素比的金属前驱体（n（Cu）/n（Zn+Sn）≈0.8,n（Zn）/n（Sn）≈1.2）。经300℃预加热后,金属前驱体转变成以Cu₅Zn₈和Cu₆Sn₅二元合金为主的金属固溶体,为后续硫化热处理形成纯相的CZTS奠定了基础。硫化过程中,硫化时间和硫化温度对薄膜结构形貌的影响显著。随着硫化时间的增大,CZTS的特征峰的强度增大,杂相衍射峰(Cu_2-xS、SnS和Cu₂SnS₃)的强度减弱,CZTS逐渐纯化。硫化时间为60min时,薄膜具有良好结构和形貌,而进一步硫化,易促使薄膜分解。过低的硫化温度会导致薄膜产生较多的二元和三元杂相,而硫化温度过高则会产生Sn和Zn的挥发流失。580℃时,CZTS薄膜的晶粒轮廓分明、晶界清晰、分布致密均匀,薄膜厚度约为2μm,与Mo层的接触紧密,无间隙,附着性增强。

关键词：Cu2ZnSnS4薄膜;共电沉积;离子浓度;预加热;硫化;