利用SbCl3-硫脲复合溶液处理锑23沉积物对锑2S3敏化太阳能电池性能影响的关键因素

摘要

这项工作提供了一个详细的实验程序, 以沉积₂S₃在介孔的₂层, 使用 SbCl₃硫脲复合溶液的应用于锑₂的₃敏化太阳能电池。本文还确定了控制沉积过程的关键因素。

摘要

锑₂S₃被认为是新兴的光吸收器之一, 可以应用于下一代太阳能电池, 因为其独特的光学和电学性质。最近, 我们展示了它的潜力作为下一代太阳能电池通过实现高光伏效率 > 6% 在₂S₃敏化太阳能电池, 使用简单的硫脲 (土) 为基础的复杂溶液方法。在这里, 我们描述了₂S₃在介孔的₂ (mp-SbCl₂) 层上的关键实验程序, 使用一个在太阳能电池的制造中的₃-土复合溶液。首先, SbCl₃-土溶液是通过溶解 SbCl₃和 TU 在n, n-甲基酰胺在不同的摩尔比 SbCl₃: 土。然后, 该溶液沉积在制备的基材上, 由₂/₂阻挡层/F 掺杂的 SnO₂玻璃经自旋涂层组成。最后, 为了形成结晶锑₂S₃, 样品被退火在一个 N₂填充手套盒在300°c。文中还讨论了实验参数对光伏器件性能的影响。

引言

锑基硫属化合物 (锑), 包括 sb₂S₃, 锑₂Se₃, 锑₂(S, Se)₃, 和 CuSbS₂, 被认为是新兴材料, 可用于下一代太阳能电池^{1 ,2,3,4,5,6,7,8}。然而, 基于锑光吸收器的光伏设备尚未达到证明可行商业化所需的10% 功率转换效率 (四氯乙烯)。

为了克服这些局限性, 采用了各种方法和技术, 如硫乙酰胺诱导表面处理¹、室温沉积法⁴、原子层沉积技术²以及利用胶体点量子点⁶。在这些不同的方法中, 基于化学浴分解的溶液处理表现出最高的性能¹。然而, 对化学反应和后处理的精确控制需要达到最佳性能^1,3。

最近, 我们开发了一个简单的解决方案-处理高性能的 Sb₂S₃敏化太阳能电池使用 SbCl₃-硫脲 (TU) 复合溶液³。使用这种方法, 我们能够制造一个质量为₂S₃的人, 控制的人/S 比, 这是适用于太阳能电池, 以达到可比的设备性能6.4% 四氯乙烯。我们也能够有效地减少处理时间, 因为₂S₃是由单步沉积制造。

在这项工作中, 我们描述了 ₂S₃沉积物的详细实验程序, 该基板由介孔的₂ (mp₂)/.) 玻璃用于制造 Sb₂S₃敏化太阳电池通过SbCl₃涂复合溶液处理³。此外, 还对₂S₃沉积过程中影响光伏性能的三关键因素进行了识别和讨论。该方法的概念可以很容易地应用于其它基于金属硫化物的敏化型太阳能电池。

研究方案

1.₂-BL 溶液的合成

1. 准备2透明的小瓶, 50 毫升的体积。
2. 添加20毫升乙醇到1瓶 (V1) 和密封 V1。
3. 将 V1 转移到一个 N₂填充的手套箱中, 湿度控制系统的 H₂O 水平 < 1 ppm。
4. 添加1.225 毫升钛 (IV) 异丙醇 (TTIP) V1 使用一个注射器与0.45 µm PVDF 过滤器, 并轻轻搅拌混合物至少30分钟。
   注: 此步骤必须在手套箱 (或在非常低的湿度条件下) 执行, 因为 TTIP 对湿气高度敏感。如果 TTIP 溶液不透明或在溶液内部观察到白色沉淀, 则不应使用, 因为在溶液中已经发生了不良反应。
5. 在其他准备的小瓶 (V2), 添加 18 ul HNO₃ (70%) 和 138 ul 的 H₂O 到20毫升乙醇使用微, 并轻轻搅拌混合物至少30分钟。
   注: 此步骤不得在手套箱中执行, 因为使用了 H₂O。
6. 将 V2 溶液倒入 V1 溶液中混合2溶液, 搅拌2多小时, 合成透明0.1 米的₂BL 溶液。
   注意: 最终解决方案必须是透明的。如果解决方案不透明, resynthesize 它, 直到获得透明解决方案。在 < 50% 的湿度条件下, 成功地制备了₂-BL 溶液, 稳定了好几天。

2. SbCl₃/土摩尔比的 SbCl₃-土溶液的合成

注: 必须在手套盒中进行合成, 因为 SbCl₃对水分的敏感性非常高。

1. 准备 SbCl₃库存解决方案 [1 毫摩尔 SbCl₃在1毫升的n, n-甲基酰胺 (DMF)] 在手套箱内。例如, 添加6.486 克 SbCl₃到30毫升的 DMF 为32.2 毫升库存解决方案。
2. 将适量的库存溶液添加到含有一定量的土瓶中, 以合成 SbCl₃-土溶液, 所需的摩尔比为 SbCl₃/tu。例如, 假设2个小瓶每包含0.1 克的 TU, 增加0.9394 毫升的库存解决方案, 以一瓶和0.5637 毫升, 以综合解决方案与 SbCl₃/涂比 1/1.5 和 1/2.5, 分别。

3. 由 mp₂/₂-BL/微晶玻璃组成的基材的制备

1. 将25毫米 x 25 毫米的玻片玻璃 (钢化玻璃) 用丙酮清洗10分钟, 然后用乙醇冲洗。
   注: 要制造光伏设备, 使用预图案的玻璃, 其中 5-10 毫米 x 25 毫米的表面被完全蚀刻。
2. 通过在样品上吹压缩空气立即干燥该玻璃。
3. 用 UV/O₃清洁剂对玻璃杯进行20分钟的处理。
4. 自旋涂层乙醇在5000转每分钟六十年代。
5. 立刻旋转外套与准备的₂BL 解答在步3.4 的同样条件下。
6. 将该玻璃干燥2分钟, 将其放在预热的热板上, 在200摄氏度。
7. 重复步骤3.5 和3.6 以获得所需的₂BL 厚度。
8. 使用与₂糊 (50 nm₂粒子) 和聚酯面具的丝网印刷法, 将 mp₂层存放在₂-BL/微晶玻璃上。
9. 将 mp₂/₂-BL/在500°c 的玻璃退火为30分钟。
10. 将退火后的基体浸在透明的水下40毫米 TiCl₄溶液中, 然后冷却至室温。
    注:40 mM TiCl₄溶液必须是透明的。如果基体在冷却前浸在 TiCl₄溶液中, 由于基体和溶液之间的温差大, 它们很容易断裂。
11. 将基板转移到60摄氏度的烤箱上, 并将其存储1小时。
12. 用温水冲洗基体几次, 然后用 blowingcompressed 的空气立即将其烘干。
    注: 为防止基体开裂, 冲洗时应使用温水 (约60°c)。
13. 再退火基体在500°c 为30分钟。

4.₂S₃的沉积物在 mp 的基板₂/在₂-BL/玻璃

1. 用 UV/O₃清洁剂处理衬底以20分钟清洁表面, 并将其转移到手套盒中。
2. 自旋涂层在基板上的 DMF 溶剂在六十年代转 3000 rpm 之前, 与 SbCl₃涂的解决方案。
3. 将涂层基体加热5分钟, 将其放在150°c 的热板上进行局部热分解和非晶相形成。
4. 将样品放在预热的热板上, 温度为300摄氏度, 为结晶相形成提供10分钟。
5. 将样品冷却到室温后, 将其从手套箱中取出。

5. 制备锑₂S₃敏化太阳能电池

1. 加入15毫克的聚 (3-基噻吩) (P3HT) 到1毫升的氯苯, 并轻轻搅拌, 直到得到一个明确的红溶液。
2. 自旋涂层氯苯在锑₂S₃沉积基板在3000转每分钟六十年代。
3. 立即旋转外套与准备 P3HT 解决方案在相同条件下使用的步骤5.2。
4. 将样品转移到蒸发器的真空室中。
5. 存入100纳米金, 速率为1.0 Å/秒。

结果

图 1显示了₂S₃沉积在 mp₂/在₂-BL/玻璃基板上的实验过程的示意图。图 1d显示了本文所述方法所制造的典型产品的基本性能和方案。主要的 X 射线衍射 (XRD) 模式与 stibnite₂S₃结构^1、3、4和杂质相有很好的匹配, 如锑...

讨论

₂-BL 被广泛用作太阳能电池中的堵孔层。如图 2所示, 在设备性能上观察到的大差异取决于₂-BL 厚度。因此, 它的厚度应进行优化, 以获得最佳的整体设备性能, 因为它作为一个孔堵塞层, 以防止任何直接接触的¹¹和孔运输材料。应注意的是, 最佳厚度的变化取决于₂-BL 溶液种类, 各种类型, 方法, 光吸收器和设备体系结构。除₂-BL ?...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Ethyl alcohol, Pure, >99.5%	Sigma-Aldrich	459836
Titanium(IV) isopropoxide 97%	Aldrich	205273
Nitic acid, ACS reagent, 70%	Sigma-Aldrich	438073
Antimony(III) chloride	Sigma-Aldrich	311375
Thiourea	Sigma-Aldrich	T7875
N,N-Dimethylformamide, anhydrous, 99.8%	Sigma-Aldrich	227056
TiO2 paste with 50 nm particles	ShareChem	SC-HT040
Poly(3-hexylthiophene)	1-Material	PH0148
Chlorobenzene	Sigma-Aldrich	284513
FTO/glass (8 Ohmos/sq)	Pilkington
Spin coater	DONG AH TRADE CORP	ACE-200
Hot plate	AS ONE Corporation	HHP-411
Glove box	KIYON	KK-021AS
UV OZONE Cleaner	AHTECH LTS	AC-6
Furnace	WiseTherm	FP-14
UV/Vis Absorption spectroscopy	PerkinElmer	Lambda 750
Multifunctional evaporator with glove box	DAEDONG HIGH TECHNOLOGIES	DDHT-SDP007