电沉积法制备CuInS2薄膜

摘 要：本文介绍了CuInS2薄膜的概念和用途，阐述了电沉积法制备薄膜的方法，着重介绍了制备过程中电极和沉积液等参数的设置，并且对薄膜进行扫描电镜和XRD表征。

关键词：CuInS2薄膜；电沉积

1 CuInS2薄膜简介

CuInS2薄膜是三元I-III-VI族化合物半导体，具有三个同素异形的晶体结构，即黄铜矿，闪锌矿和未知结构。其光吸收系数能达到（1～6）×105cm-1，并且禁带宽度接近与太阳能电池所需的禁带宽度的最佳值相近（1.45eV），并且具有本征缺陷自掺杂特性，允许成分与化学计量的偏差的范围宽的特性，是最具发展前途之一的太阳能电池类材料[ 1 ]。

2 CuInS2薄膜的制备方法

目前制备CuInS2薄膜的方法有真空蒸镀法、涂覆法、硫化法、溅射法、喷雾热解法、化学浴法、电沉积法、离子层反应法等。其中电化学沉积法是一种非真空的制备方法，与其他制备方法相比，其成本低、原料利用率高，能够大面积生产，而且具有产量高和环境友好等特点。同时在制备的过程中可获得较厚的镀层，化学组成易于控制，因此成为最具有发展前景的制备CuInS2薄膜的方法之一。

电化学制备CuInS2薄膜的的工业化制备的工艺主要有一步电沉积法和两步电沉积法[ 2 ]。一步电沉积法在制备黄铜矿结构的CuInS2时伴随有CuxS等多余相；两步电沉积法先在底衬上制备Cu和In的合金预制膜，再通过硫化退火得到CuInS2薄膜。

本实验所用的是电沉积法，首先在含有In和Cu的溶液中先恒电位沉积制备Cu-In合金预制膜，再在管式电阻炉中使用足量的升华硫硫化退火，得到多晶的CuInS2半导体薄膜。

3 实验方案设计

实验中以氯化铜（CuCl2）为薄膜的铜源，氯化铟（InCl3）为铟源，升华硫（S）为硫源，通过电化学沉积法在恒电位下制备Cu-In合金预制膜，在通过硫化退火得到铜铟硫薄膜。

电沉积装置示意图见图1。

实验中参数设置：

3.1 工作电极的选择

ITO导电玻璃具有电率高，表面光滑等优点，利用导电玻璃作为基底可以准备出表面平整致密的薄膜，在硫化热处理后底衬不变形仍具有良好的导电功能，与CuInS2薄膜结合了良好[ 3 ]。

3.2 沉积液组成

电沉积制备Cu-In合金预制膜的铜源为CuCl2，铟源为InCl3。由于Cu、In的沉积电位相差较大，加入三乙醇胺作为络合剂，使两者的沉积电位接近，以达到共沉积的目的。

电沉积过程中析氢作用导致电解液pH变化，选择柠檬酸钠作为维持pH的缓冲剂。

3.3 沉积电位的确定

以ITO导电玻璃为工作电极，金属铂网为辅助电极，饱和甘汞电极（SCE）为参比电极组成三电极体系，电解液为CuCl2（5mM）、InCl3（5mM）、柠檬酸钠（0.015M）、三乙醇胺（0.2M），用硫酸调节pH至5.5左右时加入5mM的氯化铟，最后再用硫酸调节pH至4.00。用循环伏安法进行扫描，扫描范围为0～-1500mV，扫描速度为50 mV/s。

3.4 CuInS2薄膜表面形貌分析

图2为不同沉积电位的CuInS2薄膜的扫描电镜图，从图中可以看出，当沉积电位为-1030mV时，薄膜表面均匀分布颗粒状物质；当沉积电位为-1015mV时，薄膜表面均匀分布短棒状结构；当电位为-1000时，短棒状结构增多，均匀分布在薄膜表面。沉积电位继续减少时，短棒状结构开始消失，CuInS2薄膜表面连成一片。

3.5 X-射线衍射分析

图3为不同沉积电位下制备的CuInS2薄膜的X射线衍射图谱，其中特征衍射峰（112）、（004）/（200）、（204）/（220）和（116）/（312）与CuInS2晶体的特征衍射峰一致。

从图中可对比出，当电位为-1000mV时，（112）晶面的衍射峰最强，而且半峰宽窄，说明结晶程度高，晶粒尺寸大。当沉积电位过大或过小时（112）晶面的衍射峰都会减小。

4 总结

采用三电极体系運用电化学沉积法制备出Cu-In合计预制膜，在有足量升华硫的管式电阻炉中硫化退火得到CuInS2薄膜。薄膜表面分布均匀的短棒状结构，短棒状结构之间有微孔，有清晰的界面，这些短棒状结构和微孔增加了薄膜的表面积。通过XRD测试薄膜，特征衍射峰（112）、（004）/（200）、（204）/（220）和（116）/（312）与CuInS2晶体的特征衍射峰一致。

参考文献：

[1] 周少雄，方玲.CuInS2薄膜太阳能电池[J].物理，2007，36（11）.

[2] 邵婵.CuInS2薄膜的电沉积制备及其光电性能的研究[D].北京：北京化工大学，2011.

[3] 李琦.CuInS2薄膜太阳能电池的制备和表征[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2014.

作者简介：

郑丽（1988-），女，宁夏人，研究方向：材料工程技术。