影响 Sb 性能的关键因素2S3-sensitized 太阳能电池在 Sb 期间2S3沉积通过SbCl3-硫脲配合物溶液加工

摘要

本研究提供了一种沉积Sb的详细实验方法₂S₃ 在介孔TiO₂上₂ 使用 SbCl 的层₃硫脲配合物溶液在锑中的应用₂S₃-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

Sb₂S₃ 因其独特的光学和电学特性，被认为是有潜力应用于下一代太阳能电池的新型光吸收材料之一。最近，我们通过采用一种简单的基于硫脲（TU）的络合溶液法制备了 Sb₂S₃ 敏化太阳能电池，并实现了超过 > 6% 的高光电转换效率，展示了其作为下一代太阳能电池的应用前景。本文详细描述了在太阳能电池制备过程中，使用 SbCl₃-TU 络合溶液将 Sb₂S₃ 沉积在介孔 TiO₂（mp-TiO₂）层上的关键实验步骤。首先，通过将 SbCl₃ 和 TU 以不同的摩尔比（SbCl₃:TU）溶解于 N,N-二甲基甲酰胺中，合成 SbCl₃-TU 溶液。随后，将该溶液通过旋涂法沉积到预先制备的基底上，基底结构为 mp-TiO₂/TiO₂ 阻挡层/F 掺杂 SnO₂ 玻璃。最后，为形成结晶态的 Sb₂S₃，将样品在充满 N₂ 的手套箱中于 300 °C 下进行退火处理。本文还讨论了实验参数对光伏器件性能的影响。

引言

基于锑的硫族化合物（Sb-Chs），包括 Sb₂S₃、Sb₂Se₃、Sb₂(S,Se)₃ 和 CuSbS₂，被认为是可用于下一代太阳能电池的新兴材料^{1,2,3,4,5,6,7,8}。然而，基于 Sb-Chs 光吸收材料的光伏器件尚未达到实现可行商业化的 10% 能量转换效率（PCE）。

为了克服这些局限性，已采用多种方法和技术，例如硫代乙酰胺诱导的表面处理¹、室温沉积法⁴、原子层沉积技术²以及胶体量子点的应用⁶....

方案

1. TiO₂-BL 溶液的合成

1. 准备两个体积为 50 mL 的透明小瓶。
2. 向其中一个瓶（V1）中加入 20 mL 乙醇，并密封 V1。
3. 将 V1 转移至充满 N₂ 且湿度控制系统中 H₂O 水平 < 1 ppm 的手套箱中。
4. 使用带有 0.45 µm PVDF 滤膜的注射器向 V1 中加入 1.225 mL 钛酸四异丙酯（TTIP），并轻轻搅拌混合物至少 30 分钟。
   注意：此步骤必须在手套箱内（或极低湿度条件下）进行，因为 TTIP 对水分高度敏感。如果 TTIP 溶液不透明或观察到白色沉淀，则不应使用，表明溶液内部已发生不良反应。
5. 在另一个准备好的小瓶（V2）中，使用微量移液器向 20 mL 乙醇中加入 18 μL HNO₃（70%）和 138 μL H₂O，并轻轻搅拌混合物至少 30 分钟。
   注意：此步骤不得在手套箱中进行，因为使用了 H₂O。
6. 通过将 V2 溶液倒入 V1 溶液中混合两种溶液，并持续搅拌超过 2 小时，以合成透明的 0.1 M TiO₂-BL 溶液。
   注意：最终溶液必须透明。如果溶液不透明，则需重新合成，直至获得透明溶液。成功制备的 TiO₂-BL 溶液在湿度条....

结果

图1展示了在mp-TiO₂/TiO₂-BL/FTO玻璃基底上沉积Sb₂S₃的实验流程示意图。图1d显示了通过本方法制备的典型产品的基本性质和结构示意图。主要的X射线衍射（XRD）图谱与辉锑矿Sb₂S₃结构^1,3,4完全吻合，除基底相（标记为T和F）外，未观察到Sb₂O₃等杂质相。此外，如XRD图谱插图所示，在约730 nm处的吸收边与Sb₂S₃的带隙（E_g）（1.7 eV）一致^1.......

讨论

TiO₂-BL 广泛用作太阳能电池中的空穴阻挡层。如图2所示，器件性能随 TiO₂-BL 厚度的不同而表现出显著差异。因此，应优化其厚度以获得最佳的整体器件性能，因为它作为关键的空穴阻挡层，可防止 FTO 与空穴传输材料之间的直接接触¹¹。需要注意的是，最佳厚度会因 TiO₂-BL 溶液种类、FTO 类型、制备方法、光吸收材料以及器件结构的不同而有所变化。除了 TiO₂-BL 的厚度外，还应针对退火条件（包括温度和时间）进行优化，以控制 TiO₂ 的缺陷密度¹²。

在本方案所构建的装置中，mp-TiO₂ 由于以下两个原因，在实现高性能方面起着至关重要的作用。首先，具有 mp-TiO₂ 通常具有更高的 J_干细胞 高于那些不含 mp-TiO 的值_2<.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
乙醇，纯品，>99.5%	Sigma-Aldrich	459836
异丙醇钛(IV)，97%	Aldrich	205273
硝酸，ACS级试剂，70%	Sigma-Aldrich	438073
三氯化锑(III)	Sigma-Aldrich	311375
硫脲	Sigma-Aldrich	T7875
N,N-二甲基甲酰胺，无水，99.8%	Sigma-Aldrich	227056
含50 nm颗粒的二氧化钛浆料	ShareChem	SC-HT040
聚(3-己基噻吩)	1-Material	PH0148
氯苯	Sigma-Aldrich	284513
FTO/玻璃（8 欧姆/平方）	Pilkington
旋涂仪	DONG AH TRADE CORP	ACE-200
加热板	AS ONE Corporation	HHP-411
手套箱	KIYON	KK-021AS
紫外臭氧清洗机	AHTECH LTS	AC-6
炉子	WiseTherm	FP-14
紫外/可见吸收光谱仪	PerkinElmer	Lambda 750
带手套箱的多功能蒸发仪	DAEDONG HIGH TECHNOLOGIES	DDHT-SDP007