緩沖層對(duì)倒序銅鋅錫硫薄膜太陽(yáng)能電池性能的影響

王杰

（吉林建筑科技學(xué)院基礎(chǔ)科學(xué)部 吉林省長(zhǎng)春市 130114）

隨著時(shí)間的推移和時(shí)代的不斷改革創(chuàng)新，國(guó)內(nèi)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)得到了快速的發(fā)展和推進(jìn)，這使得國(guó)內(nèi)不同領(lǐng)域的發(fā)展都得到了推動(dòng)，其中之一就是太陽(yáng)能電池領(lǐng)域。但是與此同時(shí)，時(shí)代發(fā)展和人民群眾也對(duì)太陽(yáng)能電池的性能方面提出了嶄新且更高的要求，現(xiàn)階段急需要開展緩沖層對(duì)倒序銅鋅錫硫薄膜太陽(yáng)能電池性能的影響研究工作，以此得到緩沖層的作用和價(jià)值，這對(duì)于后續(xù)的太陽(yáng)能電池性能方面的優(yōu)化和完善工作具有重要的作用，其中之一就是能夠明顯提升光電轉(zhuǎn)化效率，對(duì)于國(guó)內(nèi)后續(xù)的能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有積極和代表性意義。所以，在接下來的文章中就將針對(duì)緩沖層對(duì)倒序銅鋅錫硫薄膜太陽(yáng)能電池性能的影響進(jìn)行詳盡的闡述，除此之外，筆者還會(huì)在文章中給予太陽(yáng)能電池研發(fā)工作一定的具有針對(duì)性和建設(shè)性的意見。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 儀器與試劑

1.1.1 儀器選擇

為了使得本緩沖層對(duì)倒序銅鋅錫硫薄膜太陽(yáng)能電池性能的影響研究項(xiàng)目的精確性得到提升，在儀器選擇方面需要盡可能選擇一些精準(zhǔn)度比較高的儀器[1]，必要情況下可以選擇進(jìn)口儀器，本項(xiàng)目具體的儀器選擇如下所示：

（1）CHI660E 型電化學(xué)工作站；

（2）D8 ADVANCE 型 X 射線粉末衍射；

（3）Horiba 顯微共焦激光拉曼；

（4）UV-2600 紫外可見光吸收光譜儀；

（5）AXIS ULTRA DLD 型多功能光電子能譜儀；

（6）CIMPS-2 Pro 型可控強(qiáng)度調(diào)制光電化學(xué)譜儀；

（7）Solartron 1287/1260 型電化學(xué)綜合測(cè)試系統(tǒng)；

（8）XQM-0.4 型球磨機(jī)；

（9）Q/SGYM 1009 型馬弗爐[2]；

（10）SL91100-60 型管式爐；

1.1.2 試劑選擇

（1）鈦酸異丙酯；

（2）二氧化硅顆粒；

（3）正丁醇、曲拉通 X-100、硫酸鋅、硫化鈉、無水乙醇、無水氯化亞錫、硫脲、四氯化鈦、硫酸鎘、氨水、無水氯化銅、二水合氯化鋅；

（4）DMF（C3H7NO）、聚3-己基噻吩（P3HT）、 氯仿、 硫粉；

以上材料均為分析級(jí)；

（5）銅靶材、高純氮?dú)狻?/p>

1.2 緩沖層的具體制備

首先是介孔二氧化硅薄膜的植被工作，需要將3ml 的正丁醇與市良的曲拉通X-100 與0.2g 的P25 二氧化硅粉末進(jìn)行混合，后續(xù)放入準(zhǔn)備好的入球磨機(jī)當(dāng)中研磨四小時(shí)左右，后續(xù)再攪拌12 小時(shí)就能夠二氧化硅漿料了。在3 000 r·min-1的轉(zhuǎn)速之下，將其進(jìn)行均勻覆蓋到FTO 導(dǎo)電玻璃之上，后續(xù)經(jīng)過燒結(jié)，就能夠得到介孔二氧化硅納晶薄膜了。

在CdS 緩沖層的制備過程中，可以采用水浴法進(jìn)行制備，使用相關(guān)材料之后，將其蓋上錫紙，十五分鐘后將其取出，后續(xù)采用蒸餾水進(jìn)行沖洗，并且吹干，這樣就能夠得到CdS 緩沖層了，后續(xù)的研究得到了保障。

在ZnS 緩沖層的制備過程中，同樣使用水浴法進(jìn)行制備，取 2 mL 0.035 mol·L-1硫酸鋅和2.5 mL 氨水同時(shí)倒入燒杯中，1 min 后向燒杯中加入 1 mL 的 0.27 mol·L-1硫脲。續(xù)采用蒸餾水進(jìn)行沖洗，并且吹干，這樣就能夠得到ZnS 緩沖層了[3]。

1.3 倒序太陽(yáng)能電池的制作

制備CZTS 的前驅(qū)體溶液制備過程中，需要設(shè)置為體積為1：1 的乙醇和DMF 融合溶劑，其中含有0.35 mol·L-1CuCl2、0.24 mol·L-1ZnCl2·2H2O、0.20 mol·L-1SnCl2和1.32 mol·L-1CH4N2S，這一溶劑整體上呈現(xiàn)出來的是一種透明的淡黃色。

后續(xù)操作過程中，相關(guān)技術(shù)人員需要采用帶有濾塞的注射器，取好前驅(qū)溶劑，再將其滴在制備好的前兩種緩沖層之上，后續(xù)使用800r·min-1的轉(zhuǎn)速，將其均勻涂抹在薄膜之上，旋轉(zhuǎn)均勻涂抹的時(shí)間需要控制在在五秒左右，結(jié)束之后，還需要以3500 r·min-1旋轉(zhuǎn)二十秒左右，這一操作可以快速成膜，以便進(jìn)行后續(xù)的操作，在去溶劑方面需要以160℃的加熱板之下，加熱到2 分鐘左右，整個(gè)過程需要重復(fù)兩到三次，最終就能夠得到理想厚度的CZTS 前驅(qū)薄膜了。

之后還需要將CZTS 前驅(qū)薄膜和適量硫粉放置到坩堝當(dāng)中，這里需要使用帶有蓋子的坩堝，同時(shí)完成之后，將坩堝放置到管式爐當(dāng)中，在氮?dú)獬溆沫h(huán)境之下，使其產(chǎn)生硫化反應(yīng)，整個(gè)過程維持三十分鐘左右，后續(xù)降至到室溫之后去除，得到此電池的光吸收層部分，之前配置好的P3HT 溶液需要以均勻的轉(zhuǎn)速進(jìn)行涂抹，最后還需要在真空條件之下，蒸鍍 400 ? 厚度的銅作為對(duì)電極，這樣就構(gòu)成了本文研究的太陽(yáng)能電池整體了[4]。

2 結(jié)果與分析

2.1 緩沖層與CZTS的能帶分析

其中，光學(xué)吸收系數(shù)與光學(xué)帶隙之間滿足物理學(xué)定律[5]：

在式（1）當(dāng)中：

a：光的吸收率；

h：普朗克常數(shù)；

v：頻率；

A：常數(shù)；

其中，薄膜的禁帶寬度可以通過推算得到，經(jīng)過計(jì)算之后可以發(fā)現(xiàn)，禁帶寬度約為1.56eV，這一數(shù)值與太陽(yáng)能電池所需的理論最佳值是非常接近的，從這一點(diǎn)中也側(cè)面表現(xiàn)出，之前的計(jì)算和操作的準(zhǔn)確性都是比較高的，其中CdS 導(dǎo)帶介于CZTS 與二氧化硅層之間，這有利于光產(chǎn)生電子的轉(zhuǎn)移過程，簡(jiǎn)單來說，就是生產(chǎn)出來的太陽(yáng)能電池自身的光電轉(zhuǎn)化效率是比較高的，這也是太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展一直以來追求的最高目標(biāo)之一，后續(xù)的太陽(yáng)能電池研發(fā)工作也需要注重這一指標(biāo)，在不完善的情況之下，積極采取各種有效的措施對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化和完善，這樣才能最終得到理想的倒序銅鋅錫硫薄膜太陽(yáng)能電池。

2.2 CZTS吸收層的表征

筆者做好CZTS 薄膜的 XRD 圖(a)和拉曼譜(b)之后，在實(shí)際的關(guān)于倒序銅鋅錫硫薄膜太陽(yáng)能電池的研究過程中發(fā)現(xiàn)，在CZTS的分析結(jié)構(gòu)體當(dāng)中，其中的Cu 為正一價(jià)位，而Sn 為正四價(jià)位，而在前驅(qū)溶液當(dāng)中，這兩種離子都是正二價(jià)位的，由此就能夠看出，這兩種離子分別發(fā)生了還原和樣化反應(yīng)，研發(fā)工作人員需要利用XPS 了解CZTS 納米晶體中的不同元素的化合價(jià)[6]：

從CZTS 薄膜的 XPS 的圖譜中能夠看出CZTS 不同元素的XPS 峰值，其中每種元素的 XPS 峰對(duì)應(yīng)的結(jié)合能值是非常重要的一部分內(nèi)容。

從每種元素的 XPS 峰對(duì)應(yīng)的結(jié)合能值表格中不難看出，其中的Cu 元素由正二變?yōu)檎?，而Sn 由原來的正二價(jià)變?yōu)榱苏膬r(jià)位，不難得出，二者發(fā)生了顯著的氧化還原反應(yīng)，CZTS薄膜也由此形成。

2.3 具有不同緩沖層的倒序CZTS薄膜太陽(yáng)能電池光電性能

在本研究中的倒序銅鋅錫硫薄膜太陽(yáng)能電池當(dāng)中，介孔二氧化硅材料是作為電子傳輸層進(jìn)行使用的，從緩沖層與倒序銅鋅錫硫薄膜太陽(yáng)能電池能帶分析這一方面也能夠看出這一點(diǎn)，CZTS 作為吸收層材料進(jìn)行使用，另外，P3HT 是空穴傳輸層，具體的組成結(jié)構(gòu)為：FTO/TiO2/緩沖層/CZTS/P3HT/Cu 的倒序結(jié)構(gòu)。

根據(jù)ZnS 和 CdS 與 CZTS 薄膜組成的倒序太陽(yáng)能電池的 J-V曲 線，能夠得到光電轉(zhuǎn)化效率等等數(shù)據(jù)，這些都是判斷不同緩沖層的倒序銅鋅錫硫薄膜太陽(yáng)能電池。由此就能夠發(fā)現(xiàn)，水浴法制作出來的CdS 緩沖層能與吸收層 CZTS 是比較科學(xué)且合理的，二者之間能夠形成良好的界面，另外還能夠使得CZTS 薄膜的能級(jí)結(jié)構(gòu)方面具有更高、好、更合理的匹配性[7]，從而有效地減少載流子在界面的復(fù)合，最明顯的外在表現(xiàn)就是CdS 緩沖層能與吸收層 CZTS 的太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率比較高。

在倒序 CZTS 薄膜太陽(yáng)能電池電化學(xué)阻抗譜圖，其中，半圓的大小情況所代表的就是電荷在界面的復(fù)合大致情況，從中能夠看出，CdS 緩沖層與Zns 緩沖層的薄膜太陽(yáng)能電池的性能是具有比較大的不同的，這進(jìn)一步印證了CdS 緩沖層與光吸收層（ CZTS） 形成的高質(zhì)量的界面，這一界面有利于載流子的轉(zhuǎn)移，并且在應(yīng)用過程中可以抑制其在界面的復(fù)合，由此就能夠表現(xiàn)出更加突出的光電性能，這與前文得到的諸多光電數(shù)據(jù)表現(xiàn)是一致的[8]，具體的性能參數(shù)與預(yù)期中信息是一致：

從倒序 CZTS 薄膜太陽(yáng)能電池的 IMPS 圖中能夠看出，不同的緩沖層自身的電子傳輸時(shí)間也是不同的，其中CdS 緩沖層的表現(xiàn)是更加優(yōu)秀的，促使銅鋅錫硫太陽(yáng)能電池電子在界面的傳輸速率[9]，同時(shí)導(dǎo)致較低的界面復(fù)合速率，筆者建議在倒序銅鋅錫硫薄膜太陽(yáng)能電池的研發(fā)過程中，盡可能選擇CdS 緩沖層進(jìn)行應(yīng)用。

3 結(jié)論

綜上所述，就是目前為止針對(duì)緩沖層對(duì)倒序銅鋅錫硫薄膜太陽(yáng)能電池性能的影響的相關(guān)研究和分析了，從文中不難看出，不同類型的緩沖層，其能帶結(jié)構(gòu)也是不同的，不同緩沖層組成倒序銅鋅錫硫薄膜太陽(yáng)能電池之后，其實(shí)際性能也是不同的，與ZnS 緩沖層相比，CdS 緩沖層與CZTS 的能帶結(jié)構(gòu)是更加科學(xué)合理的，有利于使得倒序銅鋅錫硫薄膜太陽(yáng)能電池性能得到相應(yīng)的提升，其中包含促進(jìn)光電載流子的流轉(zhuǎn)和降低載流子界面復(fù)合情況的產(chǎn)生等等，由此，倒序銅鋅錫硫薄膜太陽(yáng)能電池性能就會(huì)得到提升，并且集中表現(xiàn)在光電轉(zhuǎn)化效率方面，這對(duì)于相關(guān)的太陽(yáng)能電池研發(fā)工作和產(chǎn)業(yè)發(fā)展都是極其重要的。