CN109860317A - 一种碳对电极硫化锑薄膜太阳电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及纳米半导体材料和新能源领域，具体涉及一种碳对电极硫化锑薄膜太阳电池及其制备方法。本发明的一种碳对电极硫化锑薄膜太阳电池，包括作为阳极的导电玻璃和电子传输层，作为光吸收层的硫化锑薄膜，作为对电极的碳层。本发明将性能稳定的碳电极应用到硫化锑薄膜太阳电池中作为对电极，提供了一种成本低，工艺简单，环境友好、且便于大面积制作的碳对电极硫化锑薄膜太阳电池及其制备方法。

Description

一种碳对电极硫化锑薄膜太阳电池及其制备方法
技术领域：
本发明涉及纳米半导体材料和新能源领域，具体涉及一种碳对电极硫化锑薄膜太阳电池及其制备方法。
背景技术：
发展可持续清洁能源是全人类目前面临的全球性问题。太阳能是取之不尽，用之不竭的绿色能源，将太阳能转换成电能的太阳电池是发展低碳经济，解决能源和环境问题的途径之一。薄膜太阳电池其成本低、稳定性高、可溶液法制备等优点起了人们的极大关注。目前铜铟镓硒与碲化镉薄膜太阳电池的最高效率已超过22% 【Physica Status Solidi RRL2016, 10, 583】。然而，铟、碲的缺乏和镉的毒性将阻碍它们的商业应用。最近，很多无毒且地球储量丰富的材料，也逐渐被广泛研究与探索。其中硫化锑材料的高吸收特性系数（>105 cm-1），合适的带隙（1.1-1.8 eV），环境友好和地球丰富的成分，在大面积工业化生产中具有较大的潜力【Advance Science 2015, 1500059】。
虽然基于硫化锑材料制备的新型薄膜太阳能电池近年来取得了一定的成果，但这些电池大都需要采用有机的空穴传输层和贵金属（金或银）作为对电极来收集硫化锑薄膜光照后产生的空穴。然而，这种方法存在以下问题，导致不适合商业化应用：（1）有机空穴传输层的引入影响了其长期运行稳定性，导致电池性能衰减很快；（2）贵金属电极价格昂贵的；（3）真空沉积增加了生成成本。
发明内容：
本发明目的是为了弥补已有技术的缺陷，将性能稳定的碳电极应用到硫化锑薄膜太阳电池中作为对电极，提供一种成本低，工艺简单，环境友好、且便于大面积制作的碳对电极硫化锑薄膜太阳电池及其制备方法。
一种碳对电极硫化锑薄膜太阳电池，包括作为阳极的导电玻璃和电子传输层，作为光吸收层的硫化锑薄膜，作为对电极的碳层。
所述电子传输层为二氧化钛薄膜。
所述二氧化钛薄膜厚度为20-40 nm；所述硫化锑薄膜厚度为120-150 nm；所述碳层厚度为1-2 mm。
一种碳对电极硫化锑薄膜太阳电池的制备方法，包括如下步骤：
（1）电子传输层的制备步骤：在洁净的FTO导电基底上通过旋涂TiO2溶胶-凝胶前驱液之后在空气下退火，制得涂有TiO2薄膜的导电基底；
（2）硫化锑薄膜光吸收层的制备步骤：将Na2S2O3溶液中置于小于5 oC的冰浴中，然后向Na2S2O3溶液中逐滴滴加SbCl3的丙酮溶液并利用磁力搅拌器进行搅拌，滴加完SbCl3的丙酮溶液后，待溶液变成橙色时，将步骤（1）制得的涂有TiO2薄膜的导电基底倒置悬空置于该溶液中并反应1.5小时，得到橙色非晶态Sb2S3 薄膜，接着用去离子水冲洗样品并用氮气吹干，然后在氮气手套箱中利用加热板中进行退火得到结晶态Sb2S3薄膜；
（3）碳对电极的制备：将碳浆料通过刮涂法，喷墨打印法或丝网印刷法覆盖在步骤（2）得到的Sb2S3薄膜表面，然后进行退火处理。
所述步骤（1）电子传输层的制备前先对FTO导电薄膜进行的处理，所述FTO导电薄膜处理的步骤为：将FTO导电玻璃经玻璃清洗剂、丙酮和异丙醇超声清洗干净，氮气吹干，紫外-臭氧处理30分钟。
所述步骤（1）的退火处理的温度为450 oC，退火时间为30 分钟。
所述步骤（2）中Na2S2O3与SbCl3的摩尔比为0.09:0.0028。
所述步骤（2）的退火温度为350 oC，退火时间为30 分钟。
所述步骤（3）退火处理的温度为70-125oC，退火时间为15-60分钟。
所述碳浆为低温固化热塑性树脂与碳粉以1:1为质量比通过精细研磨而成。
本发明的有益效果为：
（1）本发明利用刮涂法制备导电碳层作为硫化锑太阳电池的对电极，来替代目前传统的有机空穴传输层和金属银组成的复合对电极。本发明采用碳对电极制备的硫化锑太阳电池，其电池性能在一个标准太阳光下，开路电压V oc可达到0.57 V，短路电流密度J sc 可达到11.32 mA/cm2。本发明中碳对电极的制备方法简便，对设备要求低，适合大规模应用，在光伏材料和低价太阳电池器件等领域具有很大的应用价值。
（2）与传统的有机空穴传输层和金属银组成的复合对电极制备的硫化锑薄膜电池相比，本发明中，碳对电极制备的硫化锑薄膜太阳电池的开路电压V oc增加了21.27 %倍，短路电流密度J sc增加了23.48 %，能量转换效率h提高了68.91%。
附图说明：
图1是本发明一种碳对电极硫化锑薄膜太阳电池的SEM表征结果；
图2是本发明一种碳对电极硫化锑薄膜太阳电池中碳电极SEM表征结果；
图3是本发明一种碳对电极硫化锑薄膜太阳电池的电流-电压性能；（其中下方的曲线为对比实施例1的电流-电压性能，中间的曲线为实施例1的电流-电压性能，上方的曲线为实施例2的电流-电压性能）
图4是本发明一种碳对电极硫化锑薄膜太阳电池的IPCE表征结果；（其中下方的曲线为对比实施例1的电流-电压性能，中间的曲线为实施例1的电流-电压性能，上方的曲线为实施例2的电流-电压性能）
其中标号：1.对电极（碳层）；2.光吸收层（硫化锑薄膜）；3.电子传输层（二氧化钛薄膜）；4.导电玻璃。
具体实施方式
本发明的一种碳对电极硫化锑薄膜太阳电池，包括作为阳极的导电玻璃和电子传输层，作为光吸收层的硫化锑薄膜，作为对电极的碳层。电子传输层为二氧化钛薄膜。二氧化钛薄膜厚度为20-40 nm；所述硫化锑薄膜厚度为120-150 nm；所述碳层厚度为1-2 mm。
实施例1
（1）FTO导电薄膜的处理：将FTO导电玻璃经玻璃清洗剂、丙酮、异丙醇超声清洗干净，氮气吹干，紫外-臭氧处理30分钟。
（2）电子传输层的制备步骤：在洁净的FTO导电基底上通过旋涂TiO2溶胶-凝胶前驱液之后在空气下退火，退火处理的温度为450 oC，退火时间为30 分钟。（得到的二氧化钛薄膜厚度为20-40 nm）
（3）硫化锑薄膜光吸收层的制备步骤：将360 mL浓度为0.25 mol/L的Na2S2O3溶液中置于小于5 oC的冰浴中，然后向Na2S2O3溶液中逐滴滴加40 mL 浓度为0.07 mol/L的SbCl3的丙酮溶液并利用磁力搅拌器进行搅拌，滴加完SbCl3的丙酮溶液后，待溶液反应30分钟变成橙色时，将涂有TiO2薄膜的导电基底倒置悬空置于该溶液中并反应1.5小时，得到橙色非晶态Sb2S3 薄膜。接着用去离子水冲洗样品并用氮气吹干，然后在氮气手套箱中利用加热板对步骤4得到的基底进行退火得到结晶态Sb2S3薄膜，退火温度为350 oC，退火时间为30 分钟。（得到的硫化锑薄膜厚度为120-150 nm）
（4）碳对电极的制备：将导电碳浆料通过刮涂法覆盖在步骤3得到的Sb2S3薄膜表面，然后在手套箱中进行退火处理，退火处理的温度为120oC，退火时间为15分钟。（得到的碳层厚度为1-2 mm）
实施例2
（1）FTO导电薄膜的处理：将FTO导电玻璃经玻璃清洗剂、丙酮、异丙醇超声清洗干净，氮气吹干，紫外-臭氧处理30分钟。
（2）电子传输层的制备步骤：在洁净的FTO导电基底上通过旋涂TiO2溶胶-凝胶前驱液之后在空气下退火，退火处理的温度为450 oC，退火时间为30 分钟。（得到的二氧化钛薄膜厚度为20-40 nm）
（3）硫化锑薄膜光吸收层的制备步骤：将360 mL浓度为0.25 mol/L的Na2S2O3溶液中置于小于5 oC的冰浴中，然后向Na2S2O3溶液中逐滴滴加40 mL 浓度为0.07 mol/L的SbCl3的丙酮溶液并利用磁力搅拌器进行搅拌，滴加完SbCl3的丙酮溶液后，待溶液反应30分钟变成橙色时，将涂有TiO2薄膜的导电基底倒置悬空置于该溶液中并反应1.5小时，得到橙色非晶态Sb2S3 薄膜。接着用去离子水冲洗样品并用氮气吹干，然后在氮气手套箱中利用加热板对步骤4得到的基底进行退火得到结晶态Sb2S3薄膜，退火温度为350 oC，退火时间为30 分钟。（得到的硫化锑薄膜厚度为120-150 nm）
（4）碳对电极的制备：将导电碳浆料通过刮涂法覆盖在步骤3得到的Sb2S3薄膜表面，然后在手套箱中进行退火处理，退火处理的温度为70oC，退火时间为60分钟。（得到的碳层厚度为1-2 mm）
对比实施例1
为了验证碳层可以做为对电极在硫化锑薄膜太阳电池上可替代传统的有机空穴传输层和金属银对电极，我们制备了以有机空穴传输层和金属银对电极构筑的硫化锑薄膜太阳电池。
（1）FTO导电薄膜的处理：将FTO导电玻璃经玻璃清洗剂、丙酮、异丙醇超声清洗干净，氮气吹干，紫外-臭氧处理30分钟。
（2）电子传输层的制备步骤：在洁净的FTO导电基底上通过旋涂TiO2溶胶-凝胶前驱液之后在空气下退火，退火处理的温度为450 oC，退火时间为30 分钟。
（3）硫化锑薄膜光吸收层的制备步骤：将360 mL浓度为0.25 mol/L的Na2S2O3溶液中置于小于5 oC的冰浴中，然后向Na2S2O3溶液中逐滴滴加40 mL 浓度为0.07 mol/L的SbCl3的丙酮溶液并利用磁力搅拌器进行搅拌，滴加完SbCl3的丙酮溶液后，待溶液反应30分钟变成橙色时，将涂有TiO2薄膜的导电基底倒置悬空置于该溶液中并反应1.5小时，得到橙色非晶态Sb2S3 薄膜。接着用去离子水冲洗样品并用氮气吹干，然后在氮气手套箱中利用加热板对步骤4得到的基底进行退火得到结晶态Sb2S3薄膜，退火温度为350 oC，退火时间为30 分钟。
（4）将15 mg有机空穴传输材料P3HT溶解于1 ml氯苯中，然后在氮气手套箱中旋涂（2000转/分钟，60秒）到Sb2S3薄膜表面，之后在氮气手套箱中于150 ℃退火10分钟。最后通过真空热蒸发方法蒸镀厚度为100 nm的银膜作为电池的对电极，获得参比电池。
性能分析和比较
实例1、实例2以及对比实施例1制备的硫化锑薄膜太阳电池的电流-电压（J-V）性能表征结果见附图3，电池的外量子转换效率（IPCE）曲线表征结果见附图4。J-V和IPCE测试是在空气室温环境中完成的；与传统的有机空穴传输层和金属银对电极制备的硫化锑薄膜电池相比，碳对电极制备的电池的开路电压V oc增加了21.27 %倍，短路电流密度J sc增加了23.48%，能量转换效率h提高了68.91%。详细比较见表1。与传统的有机空穴传输层和金属银对电极制备的硫化锑薄膜电池相比，碳对电极制备的电池的IPCE较高。
表1
<i>V</i><sub>oc</sub> (V) <i>J</i><sub>sc</sub> (mA/cm<sup>2</sup>) FF（%） <i>h</i> (%)
对比实施例1 0.47 8.43 30.01 1.19
实施例1（120 <sup>o</sup>C, 15 min） 0.57 10.41 29.81 1.78
实施例2（70 <sup>o</sup>C, 60 min） 0.57 11.32 31.14 2.02
注：J-V性能测试在实验室环境中完成，电池的有效面积为4 mm2；V oc、J sc、FF和h 分别为电池的开路电压、短路电流、填充因子和转换效率。

Claims (10)

1.一种碳对电极硫化锑薄膜太阳电池，其特征在于：包括作为阳极的导电玻璃和电子传输层，作为光吸收层的硫化锑薄膜，作为对电极的碳层。
2.如权利要求1所述的一种碳对电极硫化锑薄膜太阳电池，其特征在于：所述电子传输层为二氧化钛薄膜。
3.如权利要求2所述的一种碳对电极硫化锑薄膜太阳电池，其特征在于：所述二氧化钛薄膜厚度为20-40 nm；所述硫化锑薄膜厚度为120-150 nm；所述碳层厚度为1-2 mm。
4.一种如权利要求1所述的碳对电极硫化锑薄膜太阳电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）电子传输层的制备步骤：在洁净的FTO导电基底上通过旋涂TiO2溶胶-凝胶前驱液之后在空气下退火，制得涂有TiO2薄膜的导电基底；
（2）硫化锑薄膜光吸收层的制备步骤：将Na2S2O3溶液中置于小于5 oC的冰浴中，然后向Na2S2O3溶液中逐滴滴加SbCl3的丙酮溶液并利用磁力搅拌器进行搅拌，滴加完SbCl3的丙酮溶液后，待溶液变成橙色时，将步骤（1）制得的涂有TiO2薄膜的导电基底倒置悬空置于该溶液中并反应1.5小时，得到橙色非晶态Sb2S3 薄膜，接着用去离子水冲洗样品并用氮气吹干，然后在氮气手套箱中利用加热板中进行退火得到结晶态Sb2S3薄膜；
（3）碳对电极的制备：将碳浆料通过刮涂法，喷墨打印法或丝网印刷法覆盖在步骤（2）得到的Sb2S3薄膜表面，然后进行退火处理。
5.如权利要求4所述的一种碳对电极硫化锑薄膜太阳电池的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）电子传输层的制备前先对FTO导电薄膜进行的处理，所述FTO导电薄膜处理的步骤为：将FTO导电玻璃经玻璃清洗剂、丙酮和异丙醇超声清洗干净，氮气吹干，紫外-臭氧处理30分钟。
6.如权利要求4所述的一种碳对电极硫化锑薄膜太阳电池的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）的退火处理的温度为450 oC，退火时间为30 分钟。
7.如权利要求4所述的一种碳对电极硫化锑薄膜太阳电池的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中Na2S2O3与SbCl3的摩尔比为0.09:0.0028。
8.如权利要求4所述的一种碳对电极硫化锑薄膜太阳电池的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）的退火温度为350 oC，退火时间为30 分钟。
9.如权利要求4所述的一种碳对电极硫化锑薄膜太阳电池的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）退火处理的温度为70-125oC，退火时间为15-60分钟。
10.权利要求4所述的一种碳对电极硫化锑薄膜太阳电池的制备方法，其特征在于：所述碳浆为低温固化热塑性树脂与碳粉以1:1为质量比通过精细研磨而成。
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