基於三硫化二銻緻密薄膜的平面結構雜化太陽能電池的製作方法
2024-03-30 18:00:05
本發明屬於薄膜材料與器件領域，具體涉及一種基於三硫化二銻緻密薄膜的平面結構雜化太陽能電池。
背景技術：
隨著新材料的不斷開發和薄膜太陽能電池的飛快發展，2002年，澳大利亞的馬丁·格林教授提出了未來成為理想太陽能電池的材料應該具有的特點：直接帶隙在1.1-1.7ev之間，與太陽光光譜匹配；材料無毒性，符合環保要求；構成材料的元素含量豐富，價格便宜；薄膜製備技術易控並可以實現大面積製造；良好的光電轉化效率和高的穩定性。
然而目前，見諸報導有機/無機雜化太陽能電池中的無機材料大多具有毒性，而且地殼含量也很有限，即使可以獲得高的光電轉換效率，但原料的來源及製備過程中有毒物質的排放對環境的汙染，仍然是限制其廣泛應用的最大瓶頸，所以一些具有光伏性能、相對無毒、環保的無機化合物材料引起了研究者們的興趣。
va-ⅵa族金屬硫化物(a2b3，a=bi，sb和b=s，se)作為重要的半導體材料進入了人們的視野。其中，硫化銻(sb2s3)因其優越的光電性能成為新型太陽能電池活性層材料。sb2s3是一種以(sb4s6)n八面體連接在一起的具有層狀結構的二元化合物半導體，具有良好的光學性能，在可見光區的光學吸收係數大於5×104cm-1，同時，由於量子限制效應，其禁帶寬度在1.7-2.2ev之間可調，材料本身的低毒性和含量豐富也是其作電池活性層的一種優勢。
但是傳統化學浴沉積方法（cbd）製備的sb2s3薄膜因為有水的引入，導致薄膜存在一些銻的氧化物，這些氧化物會導致薄膜中缺陷的產生，引起載流子的複合，降低電池效率。而真空沉積法製備sb2s3薄膜對實驗設備要求高，製備時間長。
技術實現要素：
本發明的目的在於針對上述sb2s3薄膜太陽能電池的現狀，本發明提供了一種基於三硫化二銻緻密薄膜的平面結構雜化太陽能電池。採用旋塗法製備sb2s3緻密薄膜，製備過程沒有水的引入，大大減少了銻的氧化物的存在。在此基礎上，以sb2s3薄膜做光吸收層製備平面結構的有機無機雜化太陽能電池。
為實現上述目的，本發明採用如下技術方案：
一種基於三硫化二銻緻密薄膜的平面結構雜化太陽能電池，包括氧化物透明導電襯底、電子傳輸層、光吸收層、空穴傳輸層和金屬電極，所述光吸收層是以旋塗法製備的sb2s3緻密薄膜，光吸收層的厚度是360納米至1微米。
所述氧化物透明導電襯底為fto、ito或azo導電玻璃。
所述電子傳輸層為平整的tio2薄膜。
所述空穴傳輸層為p3ht薄膜。
所述金屬電極為al或ag。
如上所述的基於三硫化二銻的平面結構雜化太陽能電池的製備方法，具體包括以下步驟：
（1）清洗氧化物透明導電襯底並烘乾；
（2）電子傳輸層的製備：用溶膠凝膠方法在透明導電襯底上漩塗tio2溶液；然後tio2透明薄膜在馬弗爐中高溫煅燒，煅燒溫度為550℃，煅燒時間為60min；
（3）光吸收層的製備：在ar氣環境下，將配好的sb2s3前驅體溶液漩塗在電子傳輸層上，然後在熱臺上加熱使溶液發生反應生成sb2s3；重複漩塗與加熱反應步驟以調節生成的sb2s3薄膜厚度；再升高溫度進行退火處理，使sb2s3薄膜結晶；
（4）空穴傳輸層的製備：在光吸收層表面漩塗p3ht；
（5）電極的製備：在空穴傳輸層表面蒸鍍金屬電極。
步驟（3）中用旋塗方法製備sb2s3薄膜的工藝參數為：
sb2s3前驅體溶液：配製sbcl3和硫脲作為前驅體溶液，sb與s的摩爾比為1:1.5~2.5；
漩塗：前轉轉速750轉/分鐘，時間為12s；後轉轉速3000轉/分鐘，時間為60s；
加熱溫度：140℃；
反應時間：10min；
退火處理：退火溫度為340℃，退火時間15min。
本發明的有益效果在於：
（1）本發明使用旋塗法製備的sb2s3薄膜結晶性好，雜項少；以sb2s3薄膜為光吸收層的平面結構的雜化太陽能電池電池的短路電流、填充因子和能量轉換效率都有很好的表現；
（2）本發明採用緻密的sb2s3薄膜為光吸收層構成平面結構雜化太陽能電池，其成本低廉、工藝簡單、易於大面積生產，相對於介孔結構太陽電池，基於sb2s3緻密薄膜的平面結構太陽電池可重複性強，電池的效率更易進行改進。
附圖說明
圖1為以sb2s3薄膜作為光吸收層的平面結構雜化太陽能電池結構示意圖；1-鋁電極(或銀電極)，2-p3ht薄膜，3-sb2s3薄膜，4-tio2透明薄膜，5-fto導電玻璃；
圖2為sb2s3薄膜xrd，並將它與sb2s3標準比對卡jp42-1393比對；
圖3為sb2s3薄膜禁帶寬度；
圖4為以厚度360nm的sb2s3薄膜為光吸收層製備的平面結構的雜化太陽能電池j-v曲線；
圖5為以厚度580nm的sb2s3薄膜為光吸收層製備的平面結構的雜化太陽能電池j-v曲線；
圖6為以厚度1μm的sb2s3薄膜為光吸收層製備的平面結構的雜化太陽能電池j-v曲線；
圖7為sb:s為1:1.5的sb2s3薄膜為光吸收層製備的平面結構的雜化太陽能電池j-v曲線；
圖8為sb:s為1:2.2的sb2s3薄膜為光吸收層製備的平面結構的雜化太陽能電池j-v曲線；
圖9為sb:s為1:2.5的sb2s3薄膜為光吸收層製備的平面結構的雜化太陽能電池j-v曲線。
具體實施方式
本發明以sb2s3薄膜為光吸收層的平面結構的雜化太陽能電池可採用下述步驟製備：
1前軀體溶液的製備
（1）取1.37gsbcl3，然後滴加n-n二甲基醯胺；
（2）對步驟（1）中的溶液常溫攪拌30分鐘；
（3）攪拌30分鐘以後向溶液中加入0.675g~1.125g的硫脲，常溫攪拌30分鐘。
2襯底處理
試驗中採用的基片是導電玻璃（ito導電玻璃或透明柔性塑料、fto導電玻璃或透明柔性塑料、azo導電玻璃或透明柔性塑料，為市售產品或公知技術），在試驗前應首先對基片進行清洗。將導電玻璃片切成合適的形狀大小，用清潔劑將其清洗乾淨，然後自來水衝洗，去離子水衝洗，接著將其放在超聲波清洗器中依次用去離子水、一次乙醇、一次丙酮、丙酮和乙醇各超聲清洗15分鐘，最後烤箱烘乾即可得到表面潔淨的襯底。
薄膜漩塗工藝過程
（1）將塗有電子傳輸層的導電玻璃襯底放置於勻膠臺上，用機械泵抽氣吸片；
（2）將勻膠臺參數設置為：前轉轉速750轉/分鐘，時間為12s，後轉轉速3000轉/分鐘，時間為60s；
（3）取適量sb2s3前軀體溶液滴於基片上，打開漩塗按鈕；
（4）將漩塗好的sb2s3薄膜放置在熱臺上140℃加熱10min，反應後的薄膜顯紅色；
（5）等樣片冷卻後，通過重複步驟（3）（4）得到360納米至1微米的sb2s3薄膜；
（6）然後在惰性氣體（ar氣）下，將製備好的樣片在340℃進行退火處理15min；
（7）完成後，從熱臺取下樣品。
太陽能電池製備
（1）電子傳輸層的製備：將導電玻璃襯底放置於勻膠臺上，用機械泵抽氣吸片，取適量tio2前軀體溶液滴於基片上，將漩塗好的tio2薄膜放置馬弗爐中550℃煅燒60min；
（2）光吸收層的製備：如3所述；
（3）空穴傳輸層的製備：在光吸收層上用勻膠機旋塗p3ht。
（4）電極的製備：在p3ht上蒸發金屬鋁或銀。
材料及器件性能測試
為了驗證製備的sb2s3薄膜物相的特性，我們利用x射線衍射儀（xrd）對他進行晶向測試。
為了評價sb2s3薄膜作為光吸收層的平面結構的雜化太陽能電池的光伏特性，我們利用keithleysmu測試儀對它進行了j-v曲線的測試。
下面結合測試結果對本發明進一步描述，該描述只是為了更好的說明以旋塗法製備的sb2s3薄膜作為光吸收層的平面結構的雜化太陽能電池的可行性。本發明並不限於這裡所描述的特殊實例和實施方案。任何本領域中的技術人員很容易在不脫離本發明精神和範圍的情況下進行進一步的改進和完善，都落入本發明的保護範圍。
sb2s3薄膜表徵及性能測試：
測試一：
（1）清洗玻璃片：先將玻璃玻片放入盛有清潔劑（如立白牌液體洗滌劑）的溶液中浸泡10分鐘，然後反覆擦洗後清水衝乾淨；接著用拋光粉進行拋光處理；然後分別放入裝有去離子水、一次丙酮和一次酒精的器皿中分別超聲15分鐘；最後放入烘箱中100度烘乾；
（2）製備sb2s3薄膜：取1.37gsbcl3和0.9g硫脲（sb:s為1:2）的sb2s3前軀體溶液漩塗於玻璃基底上，工作條件為：前轉轉速750轉/分鐘，時間為12s，後轉轉速3000轉/分鐘，時間為60s；將漩塗好的sb2s3薄膜在熱臺上140℃下加熱10min，然後在ar氣環境下340℃退火處理15min；
（3）利用x射線衍射儀對薄膜進行測試，材料xrd圖說明如附圖2所示：利用jp42-1393進行比對，特徵峰基本都能匹配，而且雜項的特徵峰很少，說明材料的結晶性較高，雜質含量少。
測試二：
（1）清洗玻璃：同測試一；
（2）製備sb2s3薄膜：同測試一；
（3）薄膜的光學吸收性能說明如附圖3所示：禁帶寬度為1.72ev，證明製備的薄膜滿足電池對光學性能的要求。
實施例1：
（1）清洗fto玻璃片：先將玻璃玻片放入盛有清潔劑（如立白牌液體洗滌劑）的溶液中浸泡10分鐘，然後反覆擦洗後清水衝乾淨；接著用拋光粉進行拋光處理；然後分別放入裝有去離子水、一次丙酮和一次酒精的器皿中分別超聲15分鐘；最後放入烘箱中100度烘乾以消除應力；
（2）電子傳輸層的製備：將tio2前軀體溶液漩塗於fto玻璃基底上，前轉轉速750轉/分鐘，時間為12s，後轉轉速4000轉/分鐘，時間為30s；將漩塗好的tio2薄膜在馬弗爐中550℃下煅燒60min；
（3）光吸收層的製備：取1.37gsbcl3和0.9g硫脲（sb:s為1:2）的sb2s3前軀體溶液，漩塗於導電玻璃基底上，工作條件為：前轉轉速750轉/分鐘，時間為12s，後轉轉速3000轉/分鐘，時間為60s；將漩塗好的sb2s3薄膜在熱臺上140℃下加熱10min，然後在ar氣環境下340℃退火處理15min，sb2s3厚度為360nm；
（4）空穴傳輸層製備：用電子天平稱p3ht15毫克，滴入1.0毫升的氯苯；然後放在有溫度控制的磁力攪拌器上，30℃攪拌24小時，在光吸收層上用勻膠機旋塗p3ht，工作條件為：前轉轉速600轉/分鐘，時間為9s，後轉轉速1500轉/分鐘，時間為30s；
（5）電極的製備：在p3ht上蒸發金屬鋁。
電池性能說明如附圖4所示：開路電壓為：0.336v，電池的短路電流為：2.03ma/cm2，填充因子為：28.5%，能量轉換效率為：0.12%。
實施例2：
（1）清洗fto玻璃片：同實施例1；
（2）電子傳輸層的製備：同實施例1；
（3）光吸收層的製備：取1.37gsbcl3和0.9g硫脲（sb:s為1:2）的sb2s3前軀體溶液，漩塗於導電玻璃基底上，工作條件為：前轉轉速750轉/分鐘，時間為12s，後轉轉速3000轉/分鐘，時間為60s；將漩塗好的sb2s3薄膜在熱臺上140℃下加熱10min；重複漩塗與加熱反應步驟，在sb2s3薄膜上再漩塗一層sb2s3薄膜，然後在ar氣環境下340℃退火處理15min，sb2s3厚度為580nm；
（4）空穴傳輸層製備：同實施例1；
（5）電極的製備：同實施例1。
電池性能說明如圖5所示：開路電壓為：0.44v，電池的短路電流為：7.3ma/cm2，填充因子為：36.1%，能量轉換效率為：1.16%。
實施例3：
（1）清洗fto玻璃片：同實施例1；
（2）電子傳輸層的製備：同實施例1；
（3）光吸收層的製備：取1.37gsbcl3和0.9g硫脲（sb:s為1:2）的sb2s3前軀體溶液，塗於導電玻璃基底上，工作條件為：前轉轉速750轉/分鐘，時間為12s，後轉轉速3000轉/分鐘，時間為60s；將漩塗好的sb2s3薄膜在熱臺上140℃下加熱10min；再重複兩次漩塗與加熱反應步驟，然後在ar氣環境下340℃退火處理15min，sb2s3厚度為1μm；
（4）空穴傳輸層製備：同實施例1；
（5）電極的製備：同實施例1。
電池性能說明如圖6所示：開路電壓為：0.42v，電池的短路電流為：4.6ma/cm2，填充因子為：34.9%，能量轉換效率為：0.68%。
實施例4：
（1）清洗fto玻璃片：同實施例1；
（2）電子傳輸層的製備：同實施例1；
（3）光吸收層的製備：取1.37gsbcl3和0.675g硫脲（sb:s為1:1.5）的sb2s3前軀體溶液漩塗於導電玻璃基底上，工作條件為：前轉轉速750轉/分鐘，時間為12s，後轉轉速3000轉/分鐘，時間為60s；將漩塗好的sb2s3薄膜在熱臺上140℃下加熱10min；重複兩次漩塗與加熱反應步驟，漩塗兩層sb2s3薄膜，然後在ar氣環境下340℃退火處理15min；
（4）空穴傳輸層製備：同實施例1；
（5）電極的製備：同實施例1。
電池性能說明如圖7所示：開路電壓為：0.41v，電池的短路電流為：5.6ma/cm2，填充因子為：39.2%，能量轉換效率為：0.9%。
實施例5：
（1）清洗fto玻璃片：同實施例1；
（2）電子傳輸層的製備：同實施例1；
（3）光吸收層的製備：取1.37gsbcl3和0.99g硫脲（sb:s為1:2.2）的sb2s3前軀體溶液漩塗於導電玻璃基底上，工作條件為：前轉轉速750轉/分鐘，時間為12s，後轉轉速3000轉/分鐘，時間為60s；將漩塗好的sb2s3薄膜在熱臺上140℃下加熱10min；重複兩次漩塗與加熱反應步驟，漩塗兩層sb2s3薄膜，然後在ar氣環境下340℃退火處理15min；
（4）空穴傳輸層製備：同實施例1；
（5）電極的製備：同實施例1。
電池性能說明如圖8所示：開路電壓為：0.44v，電池的短路電流為：7.3ma/cm2，填充因子為：36.1%，能量轉換效率為：1.16%。
實施例6：
（1）清洗fto玻璃片：同實施例1；
（2）電子傳輸層的製備：同實施例1；
（3）光吸收層的製備：取1.37gsbcl3和1.125g硫脲（sb:s為1:2.5）的sb2s3前軀體溶液漩塗於導電玻璃基底上，工作條件為：前轉轉速750轉/分鐘，時間為12s，後轉轉速3000轉/分鐘，時間為60s；將漩塗好的sb2s3薄膜在熱臺上140℃下加熱10min；重複兩次漩塗與加熱反應步驟，旋塗兩層sb2s3薄膜，然後在ar氣環境下340℃退火處理15min；
（4）空穴傳輸層製備：同實施例1；
（5）電極的製備：同實施例1。
電池性能說明如圖9所示：開路電壓為：0.42v，電池的短路電流為：6ma/cm2，填充因子為：38.6%，能量轉換效率為：0.97%。
以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋範圍。