溶液法制备“银-铋-碘”三元薄膜用于无铅光伏吸光材料

该方法可帮助您解答有关如何制备可溶液加工的银-铋-碘三元半导体以用于环保型薄膜太阳能电池及其应用的关键问题。该技术的主要优势在于可通过溶液法制备银-铋-碘材料，并将其用作无铅光吸收层，集成于具有微观器件结构的薄膜太阳能电池中。该技术在环保型薄膜太阳能电池的制造方面具有应用潜力，因为银-铋-碘三元半导体是一种无铅且在空气中稳定的光伏吸收材料。

开始制备致密二氧化钛层的前驱体溶液时，将8毫升无水乙醇加入20毫升玻璃小瓶中，并开始剧烈搅拌。逐滴加入0.74毫升钛酸异丙酯至正在搅拌的乙醇中，然后迅速加入0.06毫升浓盐酸。

在室温下搅拌混合物12至24小时，以形成前驱体溶液。接下来，将一块1英寸×1英寸的裸FTO基底分别在2%的水性辛醇酚-9溶液、丙酮和异丙醇中各超声处理15分钟。将清洗后的基底置于70 °C的烘箱中干燥1小时，然后在空气中冷却至室温。

然后，将基底固定在旋涂仪的卡盘上。用1毫升或3毫升的注射器吸取致密二氧化钛层前驱体溶液，并连接一个0.2纳米的注射器滤膜。将溶液过滤至一个小瓶中。

将200微升过滤后的前驱体溶液涂覆于基底上，确保完全覆盖。以3000 RPM转速对基底进行30秒旋涂。将薄膜置于500摄氏度的烘箱中退火1小时。

然后关闭加热，使基底在空气中自然冷却至室温，通常需要约六小时。接着将涂覆后的基底浸入0.12摩尔的四氯化钛水溶液中，在70摄氏度的烘箱中浸泡30分钟。

随后用去离子水彻底冲洗基底，以去除残留的四氯化钛。将薄膜在 500 摄氏度下退火一小时，然后在空气中冷却至室温。冷却后，将涂有致密二氧化钛的基底保存在氮气环境中，以备后续使用。

在5毫升玻璃小瓶中开始制备介孔二氧化钛纳米颗粒层的前驱体溶液时，将0.5克50纳米二氧化钛纳米颗粒浆料与1.75克异丙醇和0.5克萜品醇混合。向小瓶中加入一个搅拌子，搅拌至浆料完全溶解，通常需要约1小时。

接下来，将一块涂有二氧化钛的紧凑型 FTO 基底固定在旋涂仪上，并在基底表面滴加 200 微升纳米颗粒溶液。以 5000 转/分钟旋涂 30 秒。将涂覆后的基底置于烘箱中，在 500 摄氏度下退火 1 小时，然后冷却至室温。

然后将基底在70摄氏度的0.12摩尔浓度四氯化钛水溶液中浸泡30分钟。用去离子水彻底冲洗基底。在500摄氏度下退火1小时，并在空气中冷却至室温。

将涂有致密层和介孔二氧化钛层的基底置于氮气环境中保存，以备后续使用。在低湿度氮气氛围的手套箱中，开始制备碘化银铋薄膜（碘化二银七碘化二铋）：将0.3克三碘化铋、0.06克碘化银和3毫升正丁胺混合。剧烈涡旋混合物，直至固体大部分溶解，然后使用0.2微米聚四氟乙烯滤膜通过注射器过滤器对前驱体溶液进行过滤。

接下来，将选定的基底固定在旋涂仪上，并加入200微升过滤后的前驱体溶液。以6000转/分钟的转速旋涂基底30秒。将基底置于加热板上，加热至150摄氏度。

在该温度下退火30分钟，然后迅速从加热板上取下薄膜以进行淬火。在充满氮气的手套箱中，将10毫克P3HT与1毫升氯苯混合。在50摄氏度下搅拌30分钟，使P3HT完全溶解，随后使用0.2微米聚四氟乙烯（PTFE）针头过滤器过滤该混合物。

接下来，将涂有银铋七碘化物的FTO基底固定在旋涂仪上，该基底已沉积在致密和介孔二氧化钛上。取100微升P3HT溶液滴加到基底表面，在4000 RPM转速下旋涂30秒。随后将P3HT薄膜置于预热至130摄氏度的加热板上退火10分钟。

在手套箱中让衬底冷却至室温。最后，使用热蒸发仪以每秒0.5埃的速度在衬底上沉积100纳米厚的金层，以形成太阳能电池的顶部金电极。采用此方法制备了银-铋-碘三元薄膜，其中碘化银与三碘化铋的摩尔比分别为1:2、1:1和2:1。

1:2 薄膜在约 42 度处显示一个单峰，表明具有立方结构。1:1 和 2:1 薄膜观察到峰分裂现象，表明具有六方结构。1:2 薄膜吸收的波长比 2:1 薄膜更长。

此外，1:2薄膜表面光滑且晶粒较大，而在2:1薄膜上则观察到过量碘化银颗粒。因此选择1:2薄膜进行后续研究。X射线衍射结果表明，1:2薄膜需在150摄氏度下退火才能完全结晶为立方相。

该薄膜在空气中至少10天保持稳定。傅里叶变换红外光谱（FTIR）表明，残余的正丁胺在较低退火温度下仍弱结合于碘化铋(III)和碘化银，抑制了银-铋-碘结构单元的形成。随着退火温度升高，晶粒变得更大且排列更加致密。

在150摄氏度下退火的薄膜也表现出最适合用于太阳能电池的吸收特性。总体而言，在150摄氏度下退火的七碘化二铋银薄膜展现出适用于太阳能电池的合适能量特性。该技术为溶液可加工薄膜太阳能电池的研究人员进一步开发银-铋-碘三元半导体的方法学铺平了道路，可用于无铅且空气稳定的薄膜太阳能电池等应用领域。

在进行此操作时，建议在湿度低于20%的条件下旋涂银-铋-碘前驱体溶液。若在30%或更高湿度条件下旋涂前驱体溶液，由于材料具有高反应性和光敏性，将出现黄色现象。如果无法在旋涂仪中控制湿度，可在充满氮气的手套箱内进行前驱体溶液的旋涂。但请注意，操作完成后必须彻底清除手套箱中的残留气体。