Sb2S3薄膜厚度对P3HT/Sb2S3/TiO2有机-无机平板杂化太阳电池性能的影响

陈伟敏， 唐志鲜， 王佳佳， 康 鑫， 蒋 岚， 吴 璠

(1.湖州师范学院 理学院， 浙江 湖州 313000； 2.湖州师范学院 求真学院， 浙江 湖州 313000)

Sb2S3薄膜厚度对P3HT/Sb2S3/TiO2有机-无机平板杂化太阳电池性能的影响

陈伟敏1， 唐志鲜1， 王佳佳2， 康 鑫2， 蒋 岚1， 吴 璠1

(1.湖州师范学院 理学院， 浙江 湖州 313000； 2.湖州师范学院 求真学院， 浙江 湖州 313000)

采用化学浴沉积法，在常压低温环境下，通过控制反应时间控制沉积液在TiO2衬底上的沉积量得到厚度不同的Sb2S3薄膜，进而与共轭聚合物P3HT复合制成有机-无机杂化太阳电池.研究结果表明，Sb2S3薄膜厚度的增加对P3HT/Sb2S3/TiO2杂化太阳电池性能影响明显，电池开路电压、短路电流、转化效率都随Sb2S3薄膜厚度的增加呈先增加后减小的变化趋势.其中，厚度约为150 nm的Sb2S3薄膜最佳，电池短路电流密度为4.81 mA/cm2，开路电压为0.58V，能量转化效率为1.21%.研究Sb2S3薄膜最佳厚度对杂化太阳电池优化具有重要意义.

太阳电池； Sb2S3； 光电转换

0 引 言

纳米材料与常规晶态、非常规晶态材料在结构上有很大不同，材料粒子的纳米化引起了许多不同于块状材料的特性与现象，如量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、表面与界面效应、“蓝移”现象等[1-5].独特的物理、化学性质使纳米材料在光学器件与电子设备方面有广泛的应用.硫化锑(Sb2S3)为V-VI族，是一种以(Sb4S6)n八面体连接在一起的层状结构的直接带隙半导体材料[2].Sb2S3的能带间隙为1.5～2.2 eV，属于正交晶系，具有高度各向异性.二氧化钛(TiO2)为宽带隙氧化物(锐钛矿3.2 eV)，主要吸收紫外光.Sb2S3与TiO2的带隙匹配度高，可以覆盖太阳光谱的全波带，拓宽光吸收范围，提高太阳光利用率.Sb2S3具有良好的光敏性，在可见光范围内具有较强的光吸收能力，适合作为光吸收材料[3].Sb2S3由于颗粒纳米级尺寸而产生的特性、效应，在杂化电池反应中，光子碰撞电离概率增大，实现了高效的多重激发.Sb2S3优良的光电特性已广泛应用于制备固态染料敏化电池、无机薄膜太阳电池及杂化太阳电池[1-3]，并且Sb2S3的纳米化引起了非线性光学效应，使其具有较强的光催化性能，在热电冷却设备、电子装置、微波装置等领域得到广泛应用[4-5].

目前，Sb2S3薄膜制备工艺主要为真空热蒸发法、化学浴沉积法、仿生自组装单层膜法、雾化热解喷涂法等.不同的薄膜制备技术均有其优缺点[6-7].通过真空热蒸发法制备，薄膜成分稳定，厚度可控，但不易获得结晶态薄膜，工艺重复性差.通过仿生自组装雾化热解喷涂法单层膜法制备，耗能小，薄膜厚度可控，但单层模物质大多为剧毒有机高分子化合物.通过雾化热解喷涂法制备，薄膜纯度高，成膜速度快，但需要精密的设备仪器.通过化学浴沉积法制备，衬底选择范围广，原材料简单易获得，低能耗，薄膜厚度、反应参数可控[8].

本文在FTO导电玻璃上直接制备TiO2薄膜，采用化学浴沉积法，在常压低温环境下，通过控制反应时间控制沉积液在衬底上的沉积量，得到厚度不同的Sb2S3薄膜，进而制成平板杂化太阳电池，如图1所示.该结构相比多孔杂化太阳电池简单，更容易制备和研究其器件物理过程[1].本文主要研究Sb2S3薄膜厚度对其杂化太阳电池性能的影响，寻找最佳薄膜厚度.

1 实验方法

1.1试剂

钛酸异丙酯(97%)(百灵威公司)、硫代硫酸钠(99%)(Adamas-beta公司)、丙酮(≥99.5%)(无锡市晨阳化工有限公司)、三氯化锑(99%)(aladdin公司)、P3HT和银(99.999%)(Alfa公司).

1.2器件制备

首先，将刻蚀好的FTO基底经过乙醇、丙酮、异丙醇和去离子水，依次按序超声清洗并干燥备用.然后在FTO玻璃上旋涂钛酸异丙酯(3 000 r/min，40 s)并500 ℃下退火得到TiO2薄膜.将TiO2薄膜基底放入Sb2S3前驱液反应液中，沉积1 h、1.5 h、2 h、3 h得到不同非晶态的Sb2S3薄膜[3-8].在手套箱中，将FTO薄膜基底在350 ℃下退火30 min得到结晶态的Sb2S3薄膜[8].

将聚合物P3HT(15 mg/mL)分别旋涂(2 000 rpm，60 s)到Sb2S3基底上，然后在手套箱于中N2气氛下150 ℃退火10 min，最后银电极(100 nm)通过掩膜板蒸镀到P3HT层上.

1.3材料表征与器件测试

Sb2S3晶相结构在 MXP18AHF(Cu-Kα，λ= 1.540 56 Å)X射线衍射仪上测试得到，微观形貌结构通过场发射扫描电子显微镜(FE-SEM，FEI Sirion200)拍摄.紫外-可见光谱(Uv-vis)仪器型号为UV 2600紫外分光光度计，Shimadzu公司.稳态电流电压(J-V)测试曲线通过94023A 太阳模拟器(Newport，USA)上测试得到，光源为 450 W 氙灯，数据采集用 Oriel®I-V 测试系统(PVIV-1A，Keithley 2400，Labview 2009 SP1 GUI软件)收集.

2 结果与讨论

2.1材料结构表征

为了得到Sb2S3的XRD图谱，本文将Sb2S3沉积在FTO玻璃上.图2为Sb2S3的XRD表征，该表征结果显示沉积1 h、1.5 h、2 h、3 h的物质均符合Sb2S3的XRD标准图谱(JCPDS#42-1393).

图3是TiO2/Sb2S3复合薄膜的SEM截面图.本文在涂有TiO2薄膜的玻璃上沉积不同厚度的Sb2S3薄膜，沉积1 h、1.5 h、2 h、3 h的Sb2S3薄膜厚度分别约为100 nm、150 nm、200 nm、400 nm.从图3中可以看出，随着沉积时间的加长，Sb2S3薄膜厚度不断增加.

为了研究TiO2/Sb2S3复合材料的光吸收性质，本文对所制备的TiO2薄膜、TiO2/Sb2S3薄膜(不同厚度)进行紫外-可见吸收光谱表征，如图4所示.图4显示，TiO2薄膜只吸收紫外光，Sb2S3薄膜可吸收波长约至800 nm的可见光.这表明TiO2/Sb2S3薄膜复合材料和TiO2薄膜具有不同光波段的吸收能力.与TiO2薄膜相比，TiO2/Sb2S3薄膜复合材料的光吸收范围明显拓宽，且Sb2S3薄膜厚度越厚，其光吸收能力相对越强[9].

2.2电池性能表征

为了研究Sb2S3薄膜厚度对电池性能的影响，本文比较了不同沉积时间下的杂化电池在AM1.5 下的J-V特性曲线及其电压、电流、能量转换效率、填充因子、串联电阻等相关实验参数，如表1和图5 所示.

表 1 杂化太阳电池在AM1.5光照下的光伏参数

Sb2S3薄膜厚度对电池开路电压的影响不大，随着沉积时间的增加，电池电压总体呈先略增加再略微减小的趋势.Sb2S3薄膜厚度对电池电流影响较大，在沉积0～3.0 h过程中，电流随Sb2S3薄膜厚度的增加先逐渐增大后逐渐减小.图6为电池光伏过程示意图，当太阳光从FTO导电玻璃一侧入射，Sb2S3吸收可见光产生大量电子-空穴对，Sb2S3价带上的光生电子跃迁到导带上，经TiO2传输被FTO电极收集，而空穴则经P3HT传输被Ag电极收集[10].随着Sb2S3薄膜厚度的增加，光子吸收效率提高，产生的载流子增多.与此同时，薄膜厚度的增加导致电阻增大，光生电子不易跃迁到导带，从而使电子与空穴容易重新复合，空穴-电子分离效率降低.所以，随着Sb2S3薄膜厚度的增加，光子吸收效率提高，产生的载流子增多，故在沉积0～1.5 h过程中电池的电流随Sb2S3薄膜厚度增加而增大.同时，薄膜厚度的增加导致电阻增大，光生电子不易传输到TiO2层，以致电子与空穴容易复合，导致空穴-电子分离效率降低，电池填充因子也随之降低[11].

3 结 论

本文通过溶液法制备P3HT/Sb2S3/TiO2杂化太阳电池，并系统地研究了Sb2S3薄膜厚度对杂化太阳电池光伏性能的影响.研究发现，电池的开路电压、短路电流、填充因子、转化效率在Sb2S3薄膜厚度约为150 nm时最佳，电池短路电流密度可达4.81 mA/cm2，开路电压为0.58 V，转化效率为1.21%.但随着Sb2S3薄膜厚度的进一步增大，电池的性能逐渐降低.随着Sb2S3薄膜厚度的增加，光子吸收效率提高，产生的载流子增多，故在沉积0～1.5 h过程中电池的电流随膜厚增加而增大.同时，薄膜厚度的增加导致光生电子不易传输到TiO2层，以致电子与空穴容易复合，导致空穴-电子分离效率降低，所以在沉积1.5～3 h过程中，电池的电流随膜厚增加而降低.可见，Sb2S3薄膜厚度的优化对相关杂化太阳电池性能的研究具有重要意义.

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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

国家自然科学基金项目(11547312);浙江省自然科学基金项目(LQ14F040003)；浙江省大学生科技创新活动计划暨新苗人才计划项目(2017R427010；2016R42707)；湖州师范学院“大学生创新创业训练计划” 项目(2017-82) .

吴璠，博士，讲师，研究方向：新型纳米结构薄膜太阳电池.E-mail：wufan@zjhu.edu.cn

O469

A

1009-1734(2017)08-0009-06

[责任编辑高俊娥]