退火時間對Sb2S3基薄膜太陽能電池的影響

王沖沖，鄭 巧，姚文健

（福州大學(xué)，福建 福州 350116）

近年來，作為新能源，太陽能的應(yīng)用越來越受到人們的關(guān)注，而能將光能轉(zhuǎn)化成電能的太陽能電池成為了研究的熱點。探索低成本、穩(wěn)定、高效率的太陽能電池材料是目前促進光伏應(yīng)用的首要任務(wù)[1]。VA-VIA族金屬硫化物（A2B3，A＝Bi，Sb和B＝S，Se）作為重要的半導(dǎo)體材料進入了人們的研究視野，其中，硫化銻（Sb2S3）因其優(yōu)越的光電性能成為新型太陽能電池活性層材料的絕佳候選。

硫化銻是輝銻礦的主要成分，是一種重要的n型直接帶隙無機半導(dǎo)體材料[2-3]，具有良好的光導(dǎo)特性和熱電性能[4-5]，在可見光區(qū)的光學(xué)吸收系數(shù)大于5×104cm-1。Sb2S3有多種制備方法，化學(xué)浴沉積法因可以大規(guī)模生產(chǎn)及成本低的優(yōu)點成為最常用的制備方法。但是，采用這種方法制備的Sb2S3薄膜結(jié)晶效果不太明顯，而且在反應(yīng)過程中因為有水的引入，導(dǎo)致薄膜中一些銻的氧化物產(chǎn)生。相比之下，利用旋涂法制備的Sb2S3薄膜結(jié)晶效果明顯，制備過程中沒有水的引入，避免了銻的氧化物產(chǎn)生。同時，制備過程對實驗設(shè)備要求不高，操作簡單方便。

本文采用旋涂法制備Sb2S3薄膜，因使用勻膠機制備的薄膜處于非晶態(tài)，所以需要對其進行退火處理，使薄膜結(jié)晶。在退火過程中，退火時間對薄膜的結(jié)晶性和薄膜的形貌有很大的影響。本文探索了不同退火處理時間對Sb2S3薄膜的影響，得出最適的退火時間參數(shù)，并將所制備的Sb2S3薄膜作為吸收層應(yīng)用于太陽能電池當中，得到電池的效率為1.91%.

1 實驗

用天平量取一定量的SbCl3作為銻源，將其溶解到N-N二甲基酰胺（DMF）中，接著加入硫脲（TU），常溫攪拌30 min，得到Sb-TU前驅(qū)溶液。然后使用勻膠機將前驅(qū)液旋涂到基片上，再把旋涂好的樣品放進手套箱里。在Ar氣環(huán)境下，放在熱臺上作退火處理，退火溫度為300℃，退火時間分別設(shè)置為5 min、10 min、15 min。接著以Sb2S3薄膜為光吸收層，制備結(jié)構(gòu)為FTO/TiO2/Sb2S3/P3HT/Al的電池：在潔凈、干燥的FTO上，使用溶膠-凝膠法制備一層TiO2薄膜，然后制備一層Sb2S3薄膜。退火處理后，在薄膜上旋涂一層P3HT薄膜，最后使用真空鍍膜機在薄膜上蒸鍍上一層Al電極。

然后使用Χ射線衍射儀（Rigaku Ultima IV）分析薄膜的物相結(jié)構(gòu)，使用Nova NanoSEM 230型號場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）觀察Sb2S3薄膜的表面形貌，使用Cary 5000型號紫外可見近紅外分光光度測試薄膜的光學(xué)性能，使用Keithley4200半導(dǎo)體參數(shù)測試儀和太陽能模擬器（ABET TECHNOL-OGIES Sun 2000 Solar Simulator）在AM1.5的模擬光照下測試Sb2S3電池的J-V特性。

圖1 不同退火時間的Sb2S3薄膜XRD圖譜

2 結(jié)果和分析

圖1所示為旋涂法制備的Sb2S3薄膜XRD波譜。從圖譜上可以看出，不同退火時間的波峰是有區(qū)別的——當退火時間是5 min時，薄膜的衍射峰強度不是很大，而且很多薄膜特征衍射峰并沒有出現(xiàn)，這主要歸因于退火時間太短，薄膜沒能完成結(jié)晶過程，以至于薄膜的很多晶相沒能順利生長；當退火時間延長到10 min時，圖譜中的特征峰強度大大提高，而且也出現(xiàn)了其他晶相的特征峰；當退火時間繼續(xù)加長到15 min時，薄膜的XRD圖譜并沒有發(fā)生明顯的變化，而且與標準比對卡（JCPDS42-1393）很匹配，說明薄膜在退火時間為10 min時已經(jīng)結(jié)晶完畢。另外，在圖譜中并沒有發(fā)現(xiàn)其他波峰，表明制備的薄膜很純凈，沒有雜相。

圖2為不同退火時間的Sb2S3薄膜SEM圖。從圖中可以看出，隨著退火時間的改變，薄膜的形貌也有不同——當退火時間是5 min時，如圖2（a）所示的薄膜的形貌并不是很致密，有很多孔洞出現(xiàn)；退火時間是10 min時，薄膜的形貌如圖2（b）所示，Sb2S3團簇幾乎凝聚到一起，薄膜變得致密；當退火時間是15 min時，薄膜的形貌反而變差，孔洞數(shù)量增多。上述情況說明退火時間不宜過長，若退火時間過長，則會導(dǎo)致薄膜的形貌惡化。

圖2 不同退火時間的Sb2S3薄膜SEM圖

圖3是不同退火時間的Sb2S3吸收圖。從圖中可以看出，薄膜對光的吸收與薄膜的結(jié)晶性及薄膜形貌有很大的關(guān)系——當退火時間是5 min時，即Sb2S3薄膜沒有完全結(jié)晶，薄膜對光的吸收強度不高，而且吸收范圍也很窄；當退火時間延長到10 min時，薄膜對光的吸收是最大的，較強的光吸收對電池性能的提高有很大的作用；但是，當退火時間是15 min時，薄膜對光的吸收強度降低，這主要歸因于Sb2S3薄膜的形貌在過長時間的退火處理下惡化，空洞數(shù)量增加。

圖3 不同退火時間的Sb2S3吸收圖

圖4是使用不同退火時間處理的Sb2S3薄膜太陽能電池的J-V特性曲線。從圖中可以看出，當退火時間為5 min時，電池的電流密度和開路電壓都很小，說明薄膜未完全結(jié)晶對電池的性能影響很大；當退火時間為10 min時，電池的性能有很大的提高；當退火時間達到15 min時，開路電壓沒有太大的變化，但是電流密度卻減小了，這主要是因為薄膜形貌惡化。

不同退火時間的Sb2S3基電池的詳細參數(shù)見表1.

圖4 不同退火時間的Sb2S3基電池的J-V曲線

表1 不同退火時間的Sb2S3基電池的詳細參數(shù)

3 結(jié)束語

本文采用旋涂法制備Sb2S3薄膜，并在Ar氣環(huán)境下對其進行退火處理。我們主要探索了退火時間的長短對薄膜結(jié)晶性、形貌、光吸收特性的影響，發(fā)現(xiàn)當退火時間為10 min時，薄膜能完全結(jié)晶，薄膜的形貌最致密，光吸收也最強。然后以Sb2S3薄膜為光吸收層制備結(jié)構(gòu)為FTO/TiO2/Sb2S3/P3HT/Al的電池，得出退火時間為10 min時，電池的效率最高，達到1.91%.

參考文獻：

［1］M.T.S.Nalr，P.K.Nalr.Simplified Chemical Deposition Technique for Good Quality SnSnliIl Films［J］.Semicond.Sci.Technol，1991，6（2）：132-134.

［2］Yang Xinyu，Xiang Weidong，Zhang Xiyan，et al.Biomolecule-assisted synthesis of ribbon-like Sb2S3 nanostructure［J］.Advanced Materials Research，2010（97）.

［3］Zheng Xiuwen，Xie Yi，Zhu Liying.Growth of Sb2E3（E＝S，Se）polygonal tubular crystals via a novel solvent-relief-self-seeding process［J］ .Inorganic Chemistry，2010（15）.

［4］Yu S H，Shu L，WuY S，et al.Benzene-thermal synthesis and characterization of ultrafine powders of antimony sulfide［J］.Materials Research Bulletin，1998（08）：1207-1211.

［5］Deng Zhengtao，Mansuripur Masud，Muscat Anthony J.Simple colloidal synthesis of single-crystal Sb-Se-S nanotubes with composition dependent band-gap energy in the near-infrared［J］.Nano Letters，2009（05）：2015-2020.