緩沖層對倒序銅鋅錫硫薄膜太陽能電池性能的影響

王杰

（吉林建筑科技學院基礎科學部 吉林省長春市 130114）

隨著時間的推移和時代的不斷改革創新，國內的社會經濟得到了快速的發展和推進，這使得國內不同領域的發展都得到了推動，其中之一就是太陽能電池領域。但是與此同時，時代發展和人民群眾也對太陽能電池的性能方面提出了嶄新且更高的要求，現階段急需要開展緩沖層對倒序銅鋅錫硫薄膜太陽能電池性能的影響研究工作，以此得到緩沖層的作用和價值，這對于后續的太陽能電池性能方面的優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化效率，對于國內后續的能源產業發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緩沖層對倒序銅鋅錫硫薄膜太陽能電池性能的影響進行詳盡的闡述，除此之外，筆者還會在文章中給予太陽能電池研發工作一定的具有針對性和建設性的意見。

1 實驗材料和方法

1.1 儀器與試劑

1.1.1 儀器選擇

為了使得本緩沖層對倒序銅鋅錫硫薄膜太陽能電池性能的影響研究項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度比較高的儀器[1]，必要情況下可以選擇進口儀器，本項目具體的儀器選擇如下所示：

（1）CHI660E 型電化學工作站；

（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 型可控強度調制光電化學譜儀；

（7）Solartron 1287/1260 型電化學綜合測試系統；

（8）XQM-0.4 型球磨機；

（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；

（5）銅靶材、高純氮氣。

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 二氧化硅粉末進行混合，后續放入準備好的入球磨機當中研磨四小時左右，后續再攪拌12 小時就能夠二氧化硅漿料了。在3 000 r·min-1的轉速之下，將其進行均勻覆蓋到FTO 導電玻璃之上，后續經過燒結，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，可以采用水浴法進行制備，使用相關材料之后，將其蓋上錫紙，十五分鐘后將其取出，后續采用蒸餾水進行沖洗，并且吹干，這樣就能夠得到CdS 緩沖層了，后續的研究得到了保障。

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

1.3 倒序太陽能電池的制作

制備CZTS 的前驅體溶液制備過程中，需要設置為體積為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出來的是一種透明的淡黃色。

后續操作過程中，相關技術人員需要采用帶有濾塞的注射器，取好前驅溶劑，再將其滴在制備好的前兩種緩沖層之上，后續使用800r·min-1的轉速，將其均勻涂抹在薄膜之上，旋轉均勻涂抹的時間需要控制在在五秒左右，結束之后，還需要以3500 r·min-1旋轉二十秒左右，這一操作可以快速成膜，以便進行后續的操作，在去溶劑方面需要以160℃的加熱板之下，加熱到2 分鐘左右，整個過程需要重復兩到三次，最終就能夠得到理想厚度的CZTS 前驅薄膜了。

之后還需要將CZTS 前驅薄膜和適量硫粉放置到坩堝當中，這里需要使用帶有蓋子的坩堝，同時完成之后，將坩堝放置到管式爐當中，在氮氣充盈的環境之下，使其產生硫化反應，整個過程維持三十分鐘左右，后續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速進行涂抹，最后還需要在真空條件之下，蒸鍍 400 ? 厚度的銅作為對電極，這樣就構成了本文研究的太陽能電池整體了[4]。

2 結果與分析

2.1 緩沖層與CZTS的能帶分析

其中，光學吸收系數與光學帶隙之間滿足物理學定律[5]：

在式（1）當中：

a：光的吸收率；

h：普朗克常數；

v：頻率；

A：常數；

其中，薄膜的禁帶寬度可以通過推算得到，經過計算之后可以發現，禁帶寬度約為1.56eV，這一數值與太陽能電池所需的理論最佳值是非常接近的，從這一點中也側面表現出，之前的計算和操作的準確性都是比較高的，其中CdS 導帶介于CZTS 與二氧化硅層之間，這有利于光產生電子的轉移過程，簡單來說，就是生產出來的太陽能電池自身的光電轉化效率是比較高的，這也是太陽能電池產業發展一直以來追求的最高目標之一，后續的太陽能電池研發工作也需要注重這一指標，在不完善的情況之下，積極采取各種有效的措施對其進行優化和完善，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，在實際的關于倒序銅鋅錫硫薄膜太陽能電池的研究過程中發現，在CZTS的分析結構體當中，其中的Cu 為正一價位，而Sn 為正四價位，而在前驅溶液當中，這兩種離子都是正二價位的，由此就能夠看出，這兩種離子分別發生了還原和樣化反應，研發工作人員需要利用XPS 了解CZTS 納米晶體中的不同元素的化合價[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 峰對應的結合能值是非常重要的一部分內容。

從每種元素的 XPS 峰對應的結合能值表格中不難看出，其中的Cu 元素由正二變為正一，而Sn 由原來的正二價變為了正四價位，不難得出，二者發生了顯著的氧化還原反應，CZTS薄膜也由此形成。

2.3 具有不同緩沖層的倒序CZTS薄膜太陽能電池光電性能

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

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

在倒序 CZTS 薄膜太陽能電池電化學阻抗譜圖，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 緩沖層的薄膜太陽能電池的性能是具有比較大的不同的，這進一步印證了CdS 緩沖層與光吸收層（ CZTS） 形成的高質量的界面，這一界面有利于載流子的轉移，并且在應用過程中可以抑制其在界面的復合，由此就能夠表現出更加突出的光電性能，這與前文得到的諸多光電數據表現是一致的[8]，具體的性能參數與預期中信息是一致：

從倒序 CZTS 薄膜太陽能電池的 IMPS 圖中能夠看出，不同的緩沖層自身的電子傳輸時間也是不同的，其中CdS 緩沖層的表現是更加優秀的，促使銅鋅錫硫太陽能電池電子在界面的傳輸速率[9]，同時導致較低的界面復合速率，筆者建議在倒序銅鋅錫硫薄膜太陽能電池的研發過程中，盡可能選擇CdS 緩沖層進行應用。

3 結論

綜上所述，就是目前為止針對緩沖層對倒序銅鋅錫硫薄膜太陽能電池性能的影響的相關研究和分析了，從文中不難看出，不同類型的緩沖層，其能帶結構也是不同的，不同緩沖層組成倒序銅鋅錫硫薄膜太陽能電池之后，其實際性能也是不同的，與ZnS 緩沖層相比，CdS 緩沖層與CZTS 的能帶結構是更加科學合理的，有利于使得倒序銅鋅錫硫薄膜太陽能電池性能得到相應的提升，其中包含促進光電載流子的流轉和降低載流子界面復合情況的產生等等，由此，倒序銅鋅錫硫薄膜太陽能電池性能就會得到提升，并且集中表現在光電轉化效率方面，這對于相關的太陽能電池研發工作和產業發展都是極其重要的。