缓冲层对倒序铜锌锡硫薄膜太阳能电池性能的影响

王杰

（吉林建筑科技学院基础科学部 吉林省长春市 130114）

随着时间的推移和时代的不断改革创新，国内的社会经济得到了快速的发展和推进，这使得国内不同领域的发展都得到了推动，其中之一就是太阳能电池领域。但是与此同时，时代发展和人民群众也对太阳能电池的性能方面提出了崭新且更高的要求，现阶段急需要开展缓冲层对倒序铜锌锡硫薄膜太阳能电池性能的影响研究工作，以此得到缓冲层的作用和价值，这对于后续的太阳能电池性能方面的优化和完善工作具有重要的作用，其中之一就是能够明显提升光电转化效率，对于国内后续的能源产业发展具有积极和代表性意义。所以，在接下来的文章中就将针对缓冲层对倒序铜锌锡硫薄膜太阳能电池性能的影响进行详尽的阐述，除此之外，笔者还会在文章中给予太阳能电池研发工作一定的具有针对性和建设性的意见。

1 实验材料和方法

1.1 仪器与试剂

1.1.1 仪器选择

为了使得本缓冲层对倒序铜锌锡硫薄膜太阳能电池性能的影响研究项目的精确性得到提升，在仪器选择方面需要尽可能选择一些精准度比较高的仪器[1]，必要情况下可以选择进口仪器，本项目具体的仪器选择如下所示：

（1）CHI660E 型电化学工作站；

（2）D8 ADVANCE 型 X 射线粉末衍射；

（3）Horiba 显微共焦激光拉曼；

（4）UV-2600 紫外可见光吸收光谱仪；

（5）AXIS ULTRA DLD 型多功能光电子能谱仪；

（6）CIMPS-2 Pro 型可控强度调制光电化学谱仪；

（7）Solartron 1287/1260 型电化学综合测试系统；

（8）XQM-0.4 型球磨机；

（9）Q/SGYM 1009 型马弗炉[2]；

（10）SL91100-60 型管式炉；

1.1.2 试剂选择

（1）钛酸异丙酯；

（2）二氧化硅颗粒；

（3）正丁醇、曲拉通 X-100、硫酸锌、硫化钠、无水乙醇、无水氯化亚锡、硫脲、四氯化钛、硫酸镉、氨水、无水氯化铜、二水合氯化锌；

（4）DMF（C3H7NO）、聚3-己基噻吩（P3HT）、 氯仿、 硫粉；

以上材料均为分析级；

（5）铜靶材、高纯氮气。

1.2 缓冲层的具体制备

首先是介孔二氧化硅薄膜的植被工作，需要将3ml 的正丁醇与市良的曲拉通X-100 与0.2g 的P25 二氧化硅粉末进行混合，后续放入准备好的入球磨机当中研磨四小时左右，后续再搅拌12 小时就能够二氧化硅浆料了。在3 000 r·min-1的转速之下，将其进行均匀覆盖到FTO 导电玻璃之上，后续经过烧结，就能够得到介孔二氧化硅纳晶薄膜了。

在CdS 缓冲层的制备过程中，可以采用水浴法进行制备，使用相关材料之后，将其盖上锡纸，十五分钟后将其取出，后续采用蒸馏水进行冲洗，并且吹干，这样就能够得到CdS 缓冲层了，后续的研究得到了保障。

在ZnS 缓冲层的制备过程中，同样使用水浴法进行制备，取 2 mL 0.035 mol·L-1硫酸锌和2.5 mL 氨水同时倒入烧杯中，1 min 后向烧杯中加入 1 mL 的 0.27 mol·L-1硫脲。续采用蒸馏水进行冲洗，并且吹干，这样就能够得到ZnS 缓冲层了[3]。

1.3 倒序太阳能电池的制作

制备CZTS 的前驱体溶液制备过程中，需要设置为体积为1：1 的乙醇和DMF 融合溶剂，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，这一溶剂整体上呈现出来的是一种透明的淡黄色。

后续操作过程中，相关技术人员需要采用带有滤塞的注射器，取好前驱溶剂，再将其滴在制备好的前两种缓冲层之上，后续使用800r·min-1的转速，将其均匀涂抹在薄膜之上，旋转均匀涂抹的时间需要控制在在五秒左右，结束之后，还需要以3500 r·min-1旋转二十秒左右，这一操作可以快速成膜，以便进行后续的操作，在去溶剂方面需要以160℃的加热板之下，加热到2 分钟左右，整个过程需要重复两到三次，最终就能够得到理想厚度的CZTS 前驱薄膜了。

之后还需要将CZTS 前驱薄膜和适量硫粉放置到坩埚当中，这里需要使用带有盖子的坩埚，同时完成之后，将坩埚放置到管式炉当中，在氮气充盈的环境之下，使其产生硫化反应，整个过程维持三十分钟左右，后续降至到室温之后去除，得到此电池的光吸收层部分，之前配置好的P3HT 溶液需要以均匀的转速进行涂抹，最后还需要在真空条件之下，蒸镀 400 Å 厚度的铜作为对电极，这样就构成了本文研究的太阳能电池整体了[4]。

2 结果与分析

2.1 缓冲层与CZTS的能带分析

其中，光学吸收系数与光学带隙之间满足物理学定律[5]：

在式（1）当中：

a：光的吸收率；

h：普朗克常数；

v：频率；

A：常数；

其中，薄膜的禁带宽度可以通过推算得到，经过计算之后可以发现，禁带宽度约为1.56eV，这一数值与太阳能电池所需的理论最佳值是非常接近的，从这一点中也侧面表现出，之前的计算和操作的准确性都是比较高的，其中CdS 导带介于CZTS 与二氧化硅层之间，这有利于光产生电子的转移过程，简单来说，就是生产出来的太阳能电池自身的光电转化效率是比较高的，这也是太阳能电池产业发展一直以来追求的最高目标之一，后续的太阳能电池研发工作也需要注重这一指标，在不完善的情况之下，积极采取各种有效的措施对其进行优化和完善，这样才能最终得到理想的倒序铜锌锡硫薄膜太阳能电池。

2.2 CZTS吸收层的表征

笔者做好CZTS 薄膜的 XRD 图(a)和拉曼谱(b)之后，在实际的关于倒序铜锌锡硫薄膜太阳能电池的研究过程中发现，在CZTS的分析结构体当中，其中的Cu 为正一价位，而Sn 为正四价位，而在前驱溶液当中，这两种离子都是正二价位的，由此就能够看出，这两种离子分别发生了还原和样化反应，研发工作人员需要利用XPS 了解CZTS 纳米晶体中的不同元素的化合价[6]：

从CZTS 薄膜的 XPS 的图谱中能够看出CZTS 不同元素的XPS 峰值，其中每种元素的 XPS 峰对应的结合能值是非常重要的一部分内容。

从每种元素的 XPS 峰对应的结合能值表格中不难看出，其中的Cu 元素由正二变为正一，而Sn 由原来的正二价变为了正四价位，不难得出，二者发生了显著的氧化还原反应，CZTS薄膜也由此形成。

2.3 具有不同缓冲层的倒序CZTS薄膜太阳能电池光电性能

在本研究中的倒序铜锌锡硫薄膜太阳能电池当中，介孔二氧化硅材料是作为电子传输层进行使用的，从缓冲层与倒序铜锌锡硫薄膜太阳能电池能带分析这一方面也能够看出这一点，CZTS 作为吸收层材料进行使用，另外，P3HT 是空穴传输层，具体的组成结构为：FTO/TiO2/缓冲层/CZTS/P3HT/Cu 的倒序结构。

根据ZnS 和 CdS 与 CZTS 薄膜组成的倒序太阳能电池的 J-V曲 线，能够得到光电转化效率等等数据，这些都是判断不同缓冲层的倒序铜锌锡硫薄膜太阳能电池。由此就能够发现，水浴法制作出来的CdS 缓冲层能与吸收层 CZTS 是比较科学且合理的，二者之间能够形成良好的界面，另外还能够使得CZTS 薄膜的能级结构方面具有更高、好、更合理的匹配性[7]，从而有效地减少载流子在界面的复合，最明显的外在表现就是CdS 缓冲层能与吸收层 CZTS 的太阳能电池的光电转化效率比较高。

在倒序 CZTS 薄膜太阳能电池电化学阻抗谱图，其中，半圆的大小情况所代表的就是电荷在界面的复合大致情况，从中能够看出，CdS 缓冲层与Zns 缓冲层的薄膜太阳能电池的性能是具有比较大的不同的，这进一步印证了CdS 缓冲层与光吸收层（ CZTS） 形成的高质量的界面，这一界面有利于载流子的转移，并且在应用过程中可以抑制其在界面的复合，由此就能够表现出更加突出的光电性能，这与前文得到的诸多光电数据表现是一致的[8]，具体的性能参数与预期中信息是一致：

从倒序 CZTS 薄膜太阳能电池的 IMPS 图中能够看出，不同的缓冲层自身的电子传输时间也是不同的，其中CdS 缓冲层的表现是更加优秀的，促使铜锌锡硫太阳能电池电子在界面的传输速率[9]，同时导致较低的界面复合速率，笔者建议在倒序铜锌锡硫薄膜太阳能电池的研发过程中，尽可能选择CdS 缓冲层进行应用。

3 结论

综上所述，就是目前为止针对缓冲层对倒序铜锌锡硫薄膜太阳能电池性能的影响的相关研究和分析了，从文中不难看出，不同类型的缓冲层，其能带结构也是不同的，不同缓冲层组成倒序铜锌锡硫薄膜太阳能电池之后，其实际性能也是不同的，与ZnS 缓冲层相比，CdS 缓冲层与CZTS 的能带结构是更加科学合理的，有利于使得倒序铜锌锡硫薄膜太阳能电池性能得到相应的提升，其中包含促进光电载流子的流转和降低载流子界面复合情况的产生等等，由此，倒序铜锌锡硫薄膜太阳能电池性能就会得到提升，并且集中表现在光电转化效率方面，这对于相关的太阳能电池研发工作和产业发展都是极其重要的。