陳偉敏， 唐志鮮， 王佳佳， 康 鑫， 蔣 嵐， 吳 璠

(1.湖州師范學(xué)院 理學(xué)院， 浙江 湖州 313000； 2.湖州師范學(xué)院 求真學(xué)院， 浙江 湖州 313000)

Sb2S3薄膜厚度對P3HT/Sb2S3/TiO2有機(jī)-無機(jī)平板雜化太陽電池性能的影響

陳偉敏1， 唐志鮮1， 王佳佳2， 康 鑫2， 蔣 嵐1， 吳 璠1

(1.湖州師范學(xué)院 理學(xué)院， 浙江 湖州 313000； 2.湖州師范學(xué)院 求真學(xué)院， 浙江 湖州 313000)

采用化學(xué)浴沉積法，在常壓低溫環(huán)境下，通過控制反應(yīng)時(shí)間控制沉積液在TiO2襯底上的沉積量得到厚度不同的Sb2S3薄膜，進(jìn)而與共軛聚合物P3HT復(fù)合制成有機(jī)-無機(jī)雜化太陽電池.研究結(jié)果表明，Sb2S3薄膜厚度的增加對P3HT/Sb2S3/TiO2雜化太陽電池性能影響明顯，電池開路電壓、短路電流、轉(zhuǎn)化效率都隨Sb2S3薄膜厚度的增加呈先增加后減小的變化趨勢.其中，厚度約為150 nm的Sb2S3薄膜最佳，電池短路電流密度為4.81 mA/cm2，開路電壓為0.58V，能量轉(zhuǎn)化效率為1.21%.研究Sb2S3薄膜最佳厚度對雜化太陽電池優(yōu)化具有重要意義.

太陽電池； Sb2S3； 光電轉(zhuǎn)換

0 引 言

納米材料與常規(guī)晶態(tài)、非常規(guī)晶態(tài)材料在結(jié)構(gòu)上有很大不同，材料粒子的納米化引起了許多不同于塊狀材料的特性與現(xiàn)象，如量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)、表面與界面效應(yīng)、“藍(lán)移”現(xiàn)象等[1-5].獨(dú)特的物理、化學(xué)性質(zhì)使納米材料在光學(xué)器件與電子設(shè)備方面有廣泛的應(yīng)用.硫化銻(Sb2S3)為V-VI族，是一種以(Sb4S6)n八面體連接在一起的層狀結(jié)構(gòu)的直接帶隙半導(dǎo)體材料[2].Sb2S3的能帶間隙為1.5～2.2 eV，屬于正交晶系，具有高度各向異性.二氧化鈦(TiO2)為寬帶隙氧化物(銳鈦礦3.2 eV)，主要吸收紫外光.Sb2S3與TiO2的帶隙匹配度高，可以覆蓋太陽光譜的全波帶，拓寬光吸收范圍，提高太陽光利用率.Sb2S3具有良好的光敏性，在可見光范圍內(nèi)具有較強(qiáng)的光吸收能力，適合作為光吸收材料[3].Sb2S3由于顆粒納米級尺寸而產(chǎn)生的特性、效應(yīng)，在雜化電池反應(yīng)中，光子碰撞電離概率增大，實(shí)現(xiàn)了高效的多重激發(fā).Sb2S3優(yōu)良的光電特性已廣泛應(yīng)用于制備固態(tài)染料敏化電池、無機(jī)薄膜太陽電池及雜化太陽電池[1-3]，并且Sb2S3的納米化引起了非線性光學(xué)效應(yīng)，使其具有較強(qiáng)的光催化性能，在熱電冷卻設(shè)備、電子裝置、微波裝置等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[4-5].

目前，Sb2S3薄膜制備工藝主要為真空熱蒸發(fā)法、化學(xué)浴沉積法、仿生自組裝單層膜法、霧化熱解噴涂法等.不同的薄膜制備技術(shù)均有其優(yōu)缺點(diǎn)[6-7].通過真空熱蒸發(fā)法制備，薄膜成分穩(wěn)定，厚度可控，但不易獲得結(jié)晶態(tài)薄膜，工藝重復(fù)性差.通過仿生自組裝霧化熱解噴涂法單層膜法制備，耗能小，薄膜厚度可控，但單層模物質(zhì)大多為劇毒有機(jī)高分子化合物.通過霧化熱解噴涂法制備，薄膜純度高，成膜速度快，但需要精密的設(shè)備儀器.通過化學(xué)浴沉積法制備，襯底選擇范圍廣，原材料簡單易獲得，低能耗，薄膜厚度、反應(yīng)參數(shù)可控[8].

本文在FTO導(dǎo)電玻璃上直接制備TiO2薄膜，采用化學(xué)浴沉積法，在常壓低溫環(huán)境下，通過控制反應(yīng)時(shí)間控制沉積液在襯底上的沉積量，得到厚度不同的Sb2S3薄膜，進(jìn)而制成平板雜化太陽電池，如圖1所示.該結(jié)構(gòu)相比多孔雜化太陽電池簡單，更容易制備和研究其器件物理過程[1].本文主要研究Sb2S3薄膜厚度對其雜化太陽電池性能的影響，尋找最佳薄膜厚度.

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1試劑

鈦酸異丙酯(97%)(百靈威公司)、硫代硫酸鈉(99%)(Adamas-beta公司)、丙酮(≥99.5%)(無錫市晨陽化工有限公司)、三氯化銻(99%)(aladdin公司)、P3HT和銀(99.999%)(Alfa公司).

1.2器件制備

首先，將刻蝕好的FTO基底經(jīng)過乙醇、丙酮、異丙醇和去離子水，依次按序超聲清洗并干燥備用.然后在FTO玻璃上旋涂鈦酸異丙酯(3 000 r/min，40 s)并500 ℃下退火得到TiO2薄膜.將TiO2薄膜基底放入Sb2S3前驅(qū)液反應(yīng)液中，沉積1 h、1.5 h、2 h、3 h得到不同非晶態(tài)的Sb2S3薄膜[3-8].在手套箱中，將FTO薄膜基底在350 ℃下退火30 min得到結(jié)晶態(tài)的Sb2S3薄膜[8].

將聚合物P3HT(15 mg/mL)分別旋涂(2 000 rpm，60 s)到Sb2S3基底上，然后在手套箱于中N2氣氛下150 ℃退火10 min，最后銀電極(100 nm)通過掩膜板蒸鍍到P3HT層上.

1.3材料表征與器件測試

Sb2S3晶相結(jié)構(gòu)在 MXP18AHF(Cu-Kα，λ= 1.540 56 ?)X射線衍射儀上測試得到，微觀形貌結(jié)構(gòu)通過場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM，F(xiàn)EI Sirion200)拍攝.紫外-可見光譜(Uv-vis)儀器型號為UV 2600紫外分光光度計(jì)，Shimadzu公司.穩(wěn)態(tài)電流電壓(J-V)測試曲線通過94023A 太陽模擬器(Newport，USA)上測試得到，光源為 450 W 氙燈，數(shù)據(jù)采集用 Oriel?I-V 測試系統(tǒng)(PVIV-1A，Keithley 2400，Labview 2009 SP1 GUI軟件)收集.

2 結(jié)果與討論

2.1材料結(jié)構(gòu)表征

為了得到Sb2S3的XRD圖譜，本文將Sb2S3沉積在FTO玻璃上.圖2為Sb2S3的XRD表征，該表征結(jié)果顯示沉積1 h、1.5 h、2 h、3 h的物質(zhì)均符合Sb2S3的XRD標(biāo)準(zhǔn)圖譜(JCPDS#42-1393).

圖3是TiO2/Sb2S3復(fù)合薄膜的SEM截面圖.本文在涂有TiO2薄膜的玻璃上沉積不同厚度的Sb2S3薄膜，沉積1 h、1.5 h、2 h、3 h的Sb2S3薄膜厚度分別約為100 nm、150 nm、200 nm、400 nm.從圖3中可以看出，隨著沉積時(shí)間的加長，Sb2S3薄膜厚度不斷增加.

為了研究TiO2/Sb2S3復(fù)合材料的光吸收性質(zhì)，本文對所制備的TiO2薄膜、TiO2/Sb2S3薄膜(不同厚度)進(jìn)行紫外-可見吸收光譜表征，如圖4所示.圖4顯示，TiO2薄膜只吸收紫外光，Sb2S3薄膜可吸收波長約至800 nm的可見光.這表明TiO2/Sb2S3薄膜復(fù)合材料和TiO2薄膜具有不同光波段的吸收能力.與TiO2薄膜相比，TiO2/Sb2S3薄膜復(fù)合材料的光吸收范圍明顯拓寬，且Sb2S3薄膜厚度越厚，其光吸收能力相對越強(qiáng)[9].

2.2電池性能表征

為了研究Sb2S3薄膜厚度對電池性能的影響，本文比較了不同沉積時(shí)間下的雜化電池在AM1.5 下的J-V特性曲線及其電壓、電流、能量轉(zhuǎn)換效率、填充因子、串聯(lián)電阻等相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，如表1和圖5 所示.

表 1 雜化太陽電池在AM1.5光照下的光伏參數(shù)

Sb2S3薄膜厚度對電池開路電壓的影響不大，隨著沉積時(shí)間的增加，電池電壓總體呈先略增加再略微減小的趨勢.Sb2S3薄膜厚度對電池電流影響較大，在沉積0～3.0 h過程中，電流隨Sb2S3薄膜厚度的增加先逐漸增大后逐漸減小.圖6為電池光伏過程示意圖，當(dāng)太陽光從FTO導(dǎo)電玻璃一側(cè)入射，Sb2S3吸收可見光產(chǎn)生大量電子-空穴對，Sb2S3價(jià)帶上的光生電子躍遷到導(dǎo)帶上，經(jīng)TiO2傳輸被FTO電極收集，而空穴則經(jīng)P3HT傳輸被Ag電極收集[10].隨著Sb2S3薄膜厚度的增加，光子吸收效率提高，產(chǎn)生的載流子增多.與此同時(shí)，薄膜厚度的增加導(dǎo)致電阻增大，光生電子不易躍遷到導(dǎo)帶，從而使電子與空穴容易重新復(fù)合，空穴-電子分離效率降低.所以，隨著Sb2S3薄膜厚度的增加，光子吸收效率提高，產(chǎn)生的載流子增多，故在沉積0～1.5 h過程中電池的電流隨Sb2S3薄膜厚度增加而增大.同時(shí)，薄膜厚度的增加導(dǎo)致電阻增大，光生電子不易傳輸?shù)絋iO2層，以致電子與空穴容易復(fù)合，導(dǎo)致空穴-電子分離效率降低，電池填充因子也隨之降低[11].

3 結(jié) 論

本文通過溶液法制備P3HT/Sb2S3/TiO2雜化太陽電池，并系統(tǒng)地研究了Sb2S3薄膜厚度對雜化太陽電池光伏性能的影響.研究發(fā)現(xiàn)，電池的開路電壓、短路電流、填充因子、轉(zhuǎn)化效率在Sb2S3薄膜厚度約為150 nm時(shí)最佳，電池短路電流密度可達(dá)4.81 mA/cm2，開路電壓為0.58 V，轉(zhuǎn)化效率為1.21%.但隨著Sb2S3薄膜厚度的進(jìn)一步增大，電池的性能逐漸降低.隨著Sb2S3薄膜厚度的增加，光子吸收效率提高，產(chǎn)生的載流子增多，故在沉積0～1.5 h過程中電池的電流隨膜厚增加而增大.同時(shí)，薄膜厚度的增加導(dǎo)致光生電子不易傳輸?shù)絋iO2層，以致電子與空穴容易復(fù)合，導(dǎo)致空穴-電子分離效率降低，所以在沉積1.5～3 h過程中，電池的電流隨膜厚增加而降低.可見，Sb2S3薄膜厚度的優(yōu)化對相關(guān)雜化太陽電池性能的研究具有重要意義.

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EffectsoftheDifferentThicknessofSb2S3onthePerformanceofOrganic-inorganicHybridSolarCells

CHEN Weimin1, TANG Zhixian1, WANG Jiajia2, KANG Xin2, JIANG Lan1WU Fan1

(1. School of Science, Huzhou University, Huzhou 313000, China;2. School of Qiuzhen, Huzhou University, Huzhou 313000, China)

Different thickness layers of Sb2S3are fabricated using chemical deposition through changing the deposition time in constant pressure with low temperature. The obtained layers of Sb2S3are combined with conjugated polymer P3HT to make organic-inorganic hybrid solar cells. The results show that thickness of Sb2S3film has obvious influence on the performance of hybrid solar cells. The open-circuit voltage, short-circuit current and conversion efficiency of the devices are increased with the thickness of Sb2S3, and then reduced with further increasing the Sb2S3layer thickness. The optimal thickness of Sb2S3in our device is about 150 nm, in which, the short circuit current density is 4.81 mA/cm2, the open circuit voltage is 0.58 V, and the energy conversion efficiency is 1.21%. The exploration of the optimal thickness of Sb2S3film is very important for developing relative hybrid solar cells.

solar cells; Sb2S3; Photo-to-current conversion

2017-07-101

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11547312);浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(LQ14F040003)；浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃暨新苗人才計(jì)劃項(xiàng)目(2017R427010；2016R42707)；湖州師范學(xué)院“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃” 項(xiàng)目(2017-82) .

吳璠，博士，講師，研究方向：新型納米結(jié)構(gòu)薄膜太陽電池.E-mail：wufan@zjhu.edu.cn

O469

A

1009-1734(2017)08-0009-06

[責(zé)任編輯高俊娥]