熱蒸發(fā)法制備Sb2Se3薄膜及后退火溫度對其性能的影響

姚文健

（福州大學(xué)，福建 福州 350116）

近年來，薄膜太陽能電池因其具有輕薄、制備能耗低、高溫發(fā)電性能好和可柔性等優(yōu)勢，成為太陽能電池中的研究熱點(diǎn)，除了已知碲化鎘和銅銦鎵硒薄膜太陽能電池外，人們對其他價(jià)格低廉、綠色無毒的新材料也展開了積極的探索。硒化銻因其物相結(jié)構(gòu)簡單、無毒、原料儲量大、低成本、禁帶寬度合適和吸收系數(shù)高，成為一種非常有前途的太陽能吸收層材料。理論計(jì)算Sb2Se3薄膜太陽能電池的最高效率可以達(dá)到25%，且因其獨(dú)特的一維納米帶結(jié)構(gòu)[1]，如果能使納米帶垂直于襯底生長，則光生載流子可以有效地沿著晶體帶傳輸，而在帶的邊界因沒有懸掛鍵存在，大大減小了復(fù)合損失。目前，平面異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的Sb2Se3薄膜太陽能電池的最高效率為6%[2]。本文采用真空熱蒸發(fā)法制備Sb2Se3薄膜，因常溫襯底下所獲得的薄膜為非晶結(jié)構(gòu)，因此對其進(jìn)行熱退火處理，探索了不同退火溫度對Sb2Se3薄膜物相結(jié)構(gòu)、形貌與光電性能的影響，并將所制備的Sb2Se3薄膜作為吸收層應(yīng)用于太陽能電池當(dāng)中，器件的光電轉(zhuǎn)換效率為0.047%.

1 實(shí)驗(yàn)

采用DMDE-450光學(xué)多層鍍膜機(jī)通過電阻蒸發(fā)法制備Sb2Se3薄膜，其中真空度為4×10-4Pa，蒸發(fā)材料采用的是99.999%純度的Sb2Se3粉末（江西科泰先進(jìn)材料有限公司），蒸發(fā)容器為鎢舟，通過調(diào)節(jié)蒸發(fā)電源的電流值來控制蒸發(fā)速率，使沉積平均速率維持在3～5 ?/s，沉積速率通過沉積時(shí)間與薄膜最終厚度計(jì)算獲得，然后在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下退火15 min，退火溫度分別設(shè)定為250℃、300℃、350℃，最終制備出厚度為490 nm的Sb2Se3薄膜。測試薄膜的物相結(jié)構(gòu)、組成成分、表面形貌及光電性能。此外，將所制備的Sb2Se3薄膜作為吸收層應(yīng)用于太陽能電池，首先，在FTO玻璃上通過化學(xué)水浴法制備50 nm CdS薄膜，后用熱蒸發(fā)制備490 nm Sb2Se3薄膜和Al電極（100 nm），電池的器件結(jié)構(gòu)為：FTO/CdS/Sb2Se3/AL。

使用X射線衍射儀（Rigaku Ultima IV）分析薄膜的物相結(jié)構(gòu)，使用Nova NanoSEM 230型號場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）觀察Sb2Se3薄膜的表面形貌，并用其自帶的能量色散X射線光譜系統(tǒng)測試薄膜的組成成分，使用Cary 5000型號紫外可見近紅外分光光度測試薄膜的光學(xué)性能，使用ST2255型超高阻微電流測試儀測試薄膜的電阻率，使用Keithley4200半導(dǎo)體參數(shù)測試儀和太陽能模擬器（ABET TECHNOL-OGIES Sun 2000 Solar Simulator）在AM1.5的模擬光照下測試Sb2Se3電池的I-V特性。

圖1 不同退火溫度下的Sb2Se3薄膜XRD圖譜

2 結(jié)果與分析

圖1所示為電阻熱蒸發(fā)法制備的Sb2Se3薄膜XRD圖譜。從圖1中可以看出，所有樣品的衍射峰都能很好地與正交晶系的Sb2Se3晶體（JCPDS 15-0861）相匹配，并且沒有其他雜質(zhì)峰出現(xiàn)，3個樣品在[（221）（211）和（301）]晶向上有強(qiáng)的峰，在[（020）（120）和（240）]晶向上的峰較弱，說明薄膜在（hk1）晶向上有擇優(yōu)生長，而這種擇優(yōu)生長的Sb2Se3薄膜對太陽電池來說是有益的[3]。其中，300℃下退火的Sb2Se3薄膜的衍射峰強(qiáng)度最大，說明其結(jié)晶性最好，而350℃下退火的Sb2Se3薄膜的衍射峰強(qiáng)度最弱，說明其結(jié)晶性最差，從物相結(jié)構(gòu)上來看，300℃下退火的Sb2Se3薄膜性能最好。通過EDS測試Sb2Se3薄膜的組成成分，其中，Sb元素的百分比為40%，Se元素的百分比為60%，由此可以佐證薄膜為純的Sb2Se3，說明薄膜在制備過程中沒有被氧化且無其他雜質(zhì)污染。圖2為不同溫度下退火的Sb2Se3薄膜的SEM圖。從圖2中可以看出Sb2Se3薄膜致密、結(jié)晶性良好，晶體的顆粒平均尺寸大致為230 nm，300℃下退火的Sb2Se3薄膜內(nèi)大顆粒的晶粒較多。

圖2 不同溫度下退火的Sb2Se3薄膜的SEM圖

圖3為不同溫度下退火的Sb2Se3薄膜的（αhv）2-hv關(guān)系曲線圖。由圖3可知，Sb2Se3薄膜在250℃下退火的禁帶寬度大致為1.46 eV，300℃下退火的禁帶寬度為1.4 eV，350℃下為1.375 eV；隨著退火溫度的升高，Sb2Se3薄膜的吸收系數(shù)逐漸增大，禁帶寬度逐漸減小，根據(jù)Shockley-Queisser理論計(jì)算[4]，所制備的薄膜非常適合作為吸收層應(yīng)用于太陽能電池。

圖3 不同退火溫度下的Sb2Se3禁帶寬度譜

圖4為AM1.5光照下不同溫度退火的Sb2Se3薄膜在FTO/CdS/Sb2Se3/AL結(jié)構(gòu)電池中的I-V特性曲線。從圖4可以得知，隨著退火溫度的升高，開路電壓先升高后降低，短路電流和填充因子則大致相等，串并聯(lián)電阻則先升高后降低。其中，300℃下退火的Sb2Se3太陽能電池效率最高為0.047%，但這個效率值仍非常低。造成短路電流較低的主要原因是所制備的Sb2Se3薄膜反射率太高，在45%左右，導(dǎo)致對太陽光的利用率較低，Sb2Se3薄膜在CdS上的黏附性不好，進(jìn)而導(dǎo)致器件無法有效地收集光生載流子。而在CdS/Sb2Se3界面處存在大量的界面缺陷，導(dǎo)致復(fù)合損失較大，Sb2Se3薄膜與CdS之間的能帶不匹配，進(jìn)而導(dǎo)致開路電壓較小。

圖4 不同退火溫度的Sb2Se3電池的I-V曲線圖

3 結(jié)束語

本文采用真空熱蒸發(fā)法制備出Sb2Se3薄膜，然后在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下退火，探索了不同退火溫度對Sb2Se3薄膜物相結(jié)構(gòu)、形貌與光電性能的影響，發(fā)現(xiàn)300℃為較優(yōu)的退火溫度，且在此基礎(chǔ)上制備了FTO/CdS/Sb2Se3/AL結(jié)構(gòu)的電池，其效率為0.047%，并分析了造成電池效率低的原因。

［1］Haijun Zhang，Chaoxing Liu，Xiaoliang Qi，et al.Topological insulators in Sb2Se3，Bi2Te3and Sb2Se3with a single Dirac cone on the surface.Nature Physics，2009（5）：438-442.

［2］L Wang，DB Li，C Chen，et al.Stable 6%-efficient Sb2Se3solar cells with a ZnO buffer layer.Nature Energy，2017，2（4）：17046.

［3］Y Zhou，L Wang，S Chen，et al.Thin-film Sb2Se3photovoltaics with oriented one-dimensional ribbons and benign grain boundaries.Nature Photonics，2015，9（6）：409-415.

［4］W.Shockley，H.J.Queisser.Detailed balance limit of efficiency of p-n junction solar cells.Journal of Applied Physics，1961（32）：510-519.