太陽能電池制備工藝中網(wǎng)狀硫化銻薄膜制備與應(yīng)用探究

席喬悅

（廣東省國(guó)際工程咨詢有限公司，廣東廣州 510060）

關(guān)于網(wǎng)狀硫化銻薄膜的制備，通常會(huì)應(yīng)用專業(yè)的化學(xué)方法作為支持。制備工作開展過程中，具體的流程控制、制備過程中的外部環(huán)境因素等，都是取得理想制備效果的重要條件。在實(shí)踐應(yīng)用中，由于水熱法的操作便捷性更強(qiáng)，所耗費(fèi)的成本更低。因此，水熱法成為優(yōu)先選擇的工藝流程。作為具體進(jìn)行操作實(shí)踐的工作人員，應(yīng)當(dāng)對(duì)不同原材料的化學(xué)性質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)的整體過程，做到全面了解，并且嚴(yán)格執(zhí)行制備流程，確保制備工作的質(zhì)量達(dá)到預(yù)期要求。

1 網(wǎng)狀硫化銻薄膜的制備分析

在太陽能電池的應(yīng)用過程中，網(wǎng)狀硫化銻薄膜作為重要的半導(dǎo)體材料，不僅安全無毒，還具有良好的應(yīng)用穩(wěn)定性。從網(wǎng)狀硫化銻的應(yīng)用功能上來講，這種類型的薄膜能夠提升太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，最高可達(dá)到30%以上。因此，現(xiàn)階段網(wǎng)狀硫化銻薄膜成為太陽能電池制備中廣泛應(yīng)用的典型原材料。

1.1 前期準(zhǔn)備工作分析

納米級(jí)別的網(wǎng)狀硫化銻可直接從ITO導(dǎo)電玻璃的襯底區(qū)域獲得。所獲得的薄膜表面電阻值為7Ω，透射率大約達(dá)到77%。襯底的尺寸為30mm×15mm×1.1mm。實(shí)驗(yàn)操作前，要提前準(zhǔn)備上述基礎(chǔ)工具和原材料，并且保證原材料的規(guī)格符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.2 制備實(shí)驗(yàn)過程分析

制備實(shí)驗(yàn)的過程關(guān)系到實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)是否能夠順利推進(jìn)。因此，針對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的基本流程進(jìn)行確認(rèn)，并確認(rèn)實(shí)驗(yàn)過程的推進(jìn)流程，是取得更好的制備工作效果的重要條件。具體來說，制備實(shí)驗(yàn)的過程包括以下幾部分要點(diǎn)。

1）對(duì)ITO導(dǎo)電玻璃主體進(jìn)行超聲波處理[1]。處理過程中，應(yīng)用到的原材料包括丙酮，乙醇，蒸餾水，分別將這三種原材料用超聲方式清洗。清洗時(shí)間持續(xù)30min，清洗完成后進(jìn)一步進(jìn)行烘干操作。

2）將ITO主體面向下進(jìn)行傾斜，放置傾斜在50mL高壓反應(yīng)釜聚四氟乙烯的內(nèi)襯中進(jìn)行待用。

3）選取0.4M的酒石酸銻鉀溶于30mL的去離子水中。隨后，用磁力棒持續(xù)攪拌15min，在溶液溶解后加入0.2g的PVP-K30繼續(xù)攪拌，持續(xù)15min。繼續(xù)觀察溶解狀態(tài)。

4）在混合溶液中加入0.8M的TAA攪拌。攪拌時(shí)間設(shè)置為35min。

5）將酒石酸銻鉀以及PVP與TAA的混合物導(dǎo)入ITO襯底的聚四氟乙烯內(nèi)襯中，隨后將反應(yīng)釜內(nèi)襯進(jìn)行密封，放入烘箱中，設(shè)置180℃的溫度進(jìn)行恒溫加熱[2]。加熱持續(xù)時(shí)間24h，反應(yīng)完成后，靜置冷卻至室溫水平。

6）將反應(yīng)釜打開，取出ITO，用去離子水進(jìn)行沖洗。這時(shí)，可得到顏色為棕褐色的納米級(jí)硫化銻薄膜。下圖1為網(wǎng)狀硫化銻薄膜制備流程圖。

圖1 網(wǎng)狀硫化銻薄膜制備流程圖

2 PbS薄膜制備流程分析

此類薄膜的制備主要是為了給網(wǎng)狀硫化銻薄膜制備表面生長(zhǎng)的納米級(jí)薄膜。在具體的制備工作落實(shí)中，溶液配置環(huán)節(jié)是薄膜制備的關(guān)鍵要點(diǎn)。具體來說，溶液配置流程包括以下幾部分內(nèi)容。

1）配制溶液類型包括醋酸鉛水溶液和三乙醇胺水溶液。配制過程中，要求溶液配置量達(dá)到25mL，溶液配制單位分別為0.05M和0.08M。隨后，分別倒入25mL0.2M的氫氧化鈉水溶液，用磁力棒進(jìn)行攪拌，攪拌時(shí)長(zhǎng)持續(xù)1h。隨后得到澄清狀態(tài)的水溶液[3]。

2）加入硫脲水溶液。加入規(guī)格為0.12M，加入總量為25mL。加入完成后，用磁力棒攪拌3min，促進(jìn)溶液溶解。將已經(jīng)完成的薄膜ITO襯底用豎直方向懸掛的方式，懸掛在廣口瓶的中間位置。隨后，再繼續(xù)將配制好的混合溶液倒入廣口瓶中。

3）放入廣口瓶后，將溶液進(jìn)行密封處理。隨后，置入溫度水平達(dá)到70℃的水中進(jìn)行水浴，具體水浴設(shè)備為熱恒溫加熱器。放置持續(xù)時(shí)間30min，發(fā)生水熱化反應(yīng)。反應(yīng)完成后，靜置冷卻至室溫，取出。

4）這時(shí)，即完成了PbS薄膜與硫化銻薄膜的合成，得到復(fù)合薄膜。為了防止襯底背面的薄膜結(jié)構(gòu)對(duì)光的吸收效果產(chǎn)生不良影響，需要通過應(yīng)用稀鹽酸對(duì)面薄膜進(jìn)行擦拭。并同步用離子水進(jìn)行沖洗，避免殘留的化學(xué)試劑對(duì)薄膜表面造成污染。

5）將清洗完成的薄膜放入烘干箱中，將溫度設(shè)置在260℃的水平，選擇N2氣氛圍進(jìn)行退火處理，退火時(shí)長(zhǎng)，維持30min。退火完成后，即得到表面分布均勻的合成薄膜，圖2為合成薄膜結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 復(fù)合薄膜制備示意圖

3 復(fù)合薄膜太陽能電池的組裝分析

太陽能電池的組裝在實(shí)踐中，也需要以科學(xué)的流程為指導(dǎo)。具體來說，在制作完復(fù)合薄膜后，太陽能電池組裝的流程要點(diǎn)，包括以下幾部分內(nèi)容。

1）應(yīng)用離子濺射儀在復(fù)合薄膜的表面進(jìn)行Au材料的濺射操作。進(jìn)行濺射操作時(shí)，需要保持均衡性，并且考慮效率問題。濺射完成后，將其作為背電極進(jìn)行應(yīng)用。關(guān)于背電極的面積，主要取決于掩膜的面積。在本文探討的實(shí)驗(yàn)中，面積設(shè)置為3mm×3mm。

2）在背電極表面涂上銀漿，用銅絲引出電極。

3）將樣品放入烘干箱中繼續(xù)加熱，這時(shí)，銀漿會(huì)被有效固化。在電池發(fā)揮作用的過程中，當(dāng)光能照射后，光可從ITO表面照射，再經(jīng)過薄膜結(jié)構(gòu)被吸收。下圖3為復(fù)合薄膜電池結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 復(fù)合薄膜電池結(jié)構(gòu)示意圖

4 網(wǎng)狀硫化銻薄膜實(shí)踐應(yīng)用中的影響因素分析

4.1 物相維度分析

在獲得樣品后，應(yīng)用X射線衍射的方式進(jìn)行檢測(cè)操作，檢驗(yàn)晶相。隨著時(shí)間的推移，在固定的溫度水平下，硫化銻薄膜的X2D衍射狀態(tài)具有非常典型的趨勢(shì)變化特征。且通過對(duì)材料實(shí)物的觀察可知，在ITO玻璃被深棕色的硫化梯薄膜材料覆蓋時(shí)，并未發(fā)現(xiàn)玻璃現(xiàn)象的出現(xiàn)。其與 ITO玻璃緊密結(jié)合。而在關(guān)于衍射峰的檢測(cè)中。也未檢測(cè)到Sb單質(zhì)的衍射峰。在其余的檢測(cè)結(jié)果中，均顯示衍射峰與硫化銻的標(biāo)準(zhǔn)卡片要求數(shù)據(jù)相匹配。在不同的溫度點(diǎn)內(nèi)，衍射峰會(huì)出現(xiàn)一定程度的增大趨勢(shì)。在進(jìn)一步的分析中，為了明確反映溫度和時(shí)間因素對(duì)薄膜物相的影響，還需要通過設(shè)定固定的溫度水平以及不同的反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行XRD表征的觀察。通過觀察可知，當(dāng)反應(yīng)溫度設(shè)置為180℃時(shí)，水熱反應(yīng)的時(shí)間設(shè)置為12h，這時(shí)，薄膜的XRD圖譜中的衍射峰呈現(xiàn)出雜亂無章的狀態(tài)。振動(dòng)峰位的顯著性也有所不足。而隨著反應(yīng)溫度的提升，樣品的衍射峰振動(dòng)強(qiáng)度也會(huì)呈現(xiàn)出增強(qiáng)的整體趨勢(shì)。經(jīng)過測(cè)試觀察可知，隨著反應(yīng)的時(shí)間在12h或高于12h區(qū)間范圍內(nèi)時(shí)，薄膜呈現(xiàn)出無定型非晶狀態(tài)。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間增長(zhǎng)至16h時(shí)，隨著反應(yīng)時(shí)間的增長(zhǎng)，衍射峰的振動(dòng)強(qiáng)度也同步增強(qiáng)。這時(shí)，反應(yīng)溫度達(dá)到200℃，反應(yīng)持續(xù)時(shí)間為16h。最終所得到的樣品衍射峰較之180℃溫度水平下的16～30h的反應(yīng)峰值更加明顯。這非常顯著地提示了溫度對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)結(jié)晶程度的影響。溫度的增加會(huì)提升薄膜結(jié)構(gòu)的結(jié)晶程度。

4.2 形貌維度分析

在這部分分析工作的落實(shí)中，需要利用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡，對(duì)樣品的形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行直觀的觀察。在觀察形貌時(shí)，需要對(duì)溫度指標(biāo)以及反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)定。隨后，會(huì)得到薄膜正面和截面的SEM圖形。通過對(duì)圖像的觀察分析可知，在蜂窩之間的網(wǎng)壁厚度數(shù)值方面。數(shù)值范圍最大達(dá)到了80nm，最小為50nm。通過對(duì)圖像的觀察可知，在互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中均勻密集的分布狀態(tài)是復(fù)合薄膜的常規(guī)分布狀態(tài)。并且分布狀態(tài)的穩(wěn)定性相對(duì)更好，未出現(xiàn)裂開或脫離襯底的現(xiàn)象，薄膜厚度達(dá)到了360nm。關(guān)于反應(yīng)時(shí)間對(duì)薄膜形貌的影響，其主要趨勢(shì)如下。

在溫度水平相同的情況下，不同的生長(zhǎng)時(shí)間得到的薄膜SEM測(cè)試結(jié)果有所不同。例如，在反應(yīng)時(shí)間持續(xù)2h時(shí)，可觀察到反應(yīng)樣品表面沉積了多個(gè)納米顆粒，納米顆粒的分布狀態(tài)為隨機(jī)分布，最大粒徑為50nm。當(dāng)水熱反應(yīng)持續(xù)到4h時(shí)，樣品的SEM圖顯示出顆粒之間的團(tuán)聚現(xiàn)象更為顯著。并且從顆粒表面產(chǎn)生了一些網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步拉長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，可繼續(xù)觀察到襯底表面的納米顆粒有顯著減少的趨勢(shì)。而襯底大部分的位置被蜂窩結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)覆蓋，若將反應(yīng)時(shí)間繼續(xù)拉長(zhǎng)至12h，則身體表面的納米顆粒會(huì)逐漸消失，被網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)完全覆蓋。進(jìn)一步拉長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，可進(jìn)一步觀察到襯底上的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出均勻且致密的分布狀態(tài)。蜂窩壁厚度也保持在穩(wěn)定的水平。厚度指標(biāo)達(dá)到20nm。當(dāng)水熱反應(yīng)的時(shí)間持續(xù)到24h，并進(jìn)一步延長(zhǎng)至30h時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的外壁結(jié)構(gòu)會(huì)進(jìn)一步增厚，但整個(gè)的網(wǎng)狀分布形態(tài)不發(fā)生顯著的變化。由此可見，時(shí)間對(duì)于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形態(tài)分布會(huì)產(chǎn)生非常重要的影響，隨著時(shí)間的拉長(zhǎng)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的中度狀態(tài)也會(huì)隨之發(fā)生變化。綜合分析可知，在發(fā)生水熱反應(yīng)時(shí)，時(shí)間指標(biāo)不僅會(huì)對(duì)網(wǎng)站結(jié)構(gòu)直接造成影響，還會(huì)對(duì)薄膜的厚度同步產(chǎn)生影響。不同的反應(yīng)時(shí)間所得到的薄膜厚度，也可進(jìn)一步繪制成折線圖，對(duì)圖形進(jìn)行分析可知，反應(yīng)時(shí)間的增大與薄膜厚度的增大在一定程度上呈現(xiàn)正比關(guān)系。

5 PVP對(duì)薄膜的影響分析

表面活性劑在溶液中的作用在于定向排列，能夠通過吸附物質(zhì)表面的特性，在制備納米結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)揮作用。PVP就屬于一種非離子型高分子化合物。在本文研究的薄膜網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)形成的過程中，也產(chǎn)生著非常重要的影響。通過觀察可知，若PVP不參與整體的反應(yīng)，薄膜會(huì)顯示出擇優(yōu)取向生長(zhǎng)的狀態(tài)，形貌也會(huì)由于擇優(yōu)的選擇方式產(chǎn)生顯著的差異。這時(shí)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)表面缺乏均勻性，局部會(huì)呈現(xiàn)出樹狀的納米結(jié)構(gòu)和粒子團(tuán)聚現(xiàn)象。進(jìn)一步分析可知，當(dāng)PVP的劑量進(jìn)一步增加，分別按照0.40.6和0.8的用量進(jìn)行融合應(yīng)用后，薄膜表面的形貌也會(huì)進(jìn)一步發(fā)生變化，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的均勻性相對(duì)更進(jìn)一步的增強(qiáng)。從基本性質(zhì)上來講，PVP屬于陽離子表面活性劑，在反應(yīng)體系中，這種分子會(huì)產(chǎn)生空間位阻效應(yīng)，使得納米粒子之間的碰撞概率進(jìn)一步減小，這會(huì)同步減小納米顆粒的表面能對(duì)本文探討的網(wǎng)狀硫化銻薄膜產(chǎn)生阻礙作用，主要阻礙晶核的取向生長(zhǎng)并且控制生長(zhǎng)速度。

6 結(jié)束語

通過本文的分析可知，太陽能電池制備的過程中，硫化銻薄膜屬于典型的基礎(chǔ)原材料。薄膜的制備需要考慮溫度因素與時(shí)間因素的影響。在具體的太陽能電池制備過程中，不僅要嚴(yán)格按照制備操作流程進(jìn)行實(shí)踐操作，更應(yīng)當(dāng)時(shí)間與溫度對(duì)薄膜狀態(tài)的影響進(jìn)行合理分析，提升電池制作的可靠性和安全性，確保太陽能電池的性能發(fā)揮效果達(dá)到預(yù)期的要求。