一种硒硫化锑薄膜的制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及硒硫化锑纳米材料技术领域，尤其涉及一种硒硫化锑薄膜的制备方法及其应用。
背景技术
锑基硫族化合物(Sb2(S，Se)3)由于具有合适的带隙宽度(1.1-1.8eV)，在可见光范围内具有较高的光吸收系数(＞105cm-1)，且稳定性好，组成元素环保无毒等优点而受到了人们的广泛关注。
为了得到高质量的Sb2(S，Se)3薄膜，大量的合成方法得到了发展。Zhang等人通过控制硒的乙二胺溶液与CBD法形成的Sb2S3膜之间的扩散反应合成了硒梯度分布的Sb2(S1-xSex)3薄膜(Zhang Y，Li J M.Solar RRL，1，1700017(2017))；该器件产生的开路电压与Sb2S3太阳能电池相当，且短路电流密度较Sb2S3高(19.43mA·cm-2)，并最终获得了5.71％的认证效率。该方法虽然新颖，但制备Sb2(S，Se)3的过程较为复杂。
Yang等通过在快速热蒸发过程中引入原位硫化(Shockley W，Queisser HJ.Journal of Applied Physics，32，510-519(1961))，成功获得了一系列单相、高结晶度的不同Se/S比例的Sb2(Se1-xSx)3薄膜；通过细致的优化，Se/S分布均匀的Sb2(Se0.80S0.20)3作为光吸收层时，器件获得了5.79％的太阳能转换效率。这种技术合成的Sb2(S，Se)3质量较高，但需要的成本也比较高。
Seok等通过两步法(Choi Y C，Lee Y H.Advanced Energy Materials，24，1301680(2014))，即通过CBD法将Sb2S3沉积到采用旋涂N，N-二甲基硒脲与氯化锑的混合溶液得到的Sb2Se3表面，成功的制备了具有梯度带隙的Sb2(Sx/Se1-x)3薄膜，并获得了6.6％的光电转化效率。而Wu等通过旋涂硒粉与三氧化二锑的N-丁基二硫代氨基甲酸-DMF溶液的方法制备了均相的Sb2(S1-xSex)3薄膜太阳能电池，同样获得了6.6％的光电转换效率(Wu C Y，Jiang C H.ACS Applied Materials&Interfaces，11，3207-3213(2019))。这两种方法得到Sb2(S，Se)3基太阳能电池的效率较高，但制备过程中会涉及有机溶剂。
因此，高质量的硒硫化锑薄膜的合成，且方法简单、环境友好对其在光电领域具有重要意义。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种高质量的硒硫化锑薄膜的制备方法，且该方法环境友好。
有鉴于此，本申请提供了一种硒硫化锑薄膜的制备方法，包括以下步骤：
将酒石酸锑钾、硫源与硒源混合，在密闭环境中进行水热反应，干燥后得到硒硫化锑前驱膜；
将所述硒硫化锑前驱膜进行退火，得到硒硫化锑薄膜。
优选的，所述硫源选自硫脲、硫代乙酰胺和硫代硫酸钠中的一种或多种。
优选的，所述硒源选自二硫化硒、二氧化硒和硒脲中的一种或多种。
优选的，所述酒石酸锑钾、硫源和硒源的摩尔比为1∶4∶(0.1～0.7)。
优选的，所述水热反应的温度为80～200℃，时间为10min～4h。
优选的，所述水热反应的温度为100～170℃，时间为2h～3h。
优选的，所述退火温度为200～400℃。
优选的，所述退火温度为300～375℃。
优选的，所述反应在水热釜中进行。
本申请还提供了一种太阳能电池器件，包括阴极、电子传输层、空穴传输层、阳极和光吸收层，所述吸光层为上述方案所述的制备方法所制备的硒硫化锑薄膜。
本申请提供了一种硒硫化锑薄膜的制备方法，其具体是将酒石酸锑钾、硫源和硒源混合，在密闭环境中进行水热反应，最后经退火，即得到硒硫化锑薄膜。本发明在水热体系中合成了致密且平整的硒硫化锑薄膜，原料成本低，反应温度低且无需有机溶剂，制备工艺简单且环保。实验结果表明，本申请制备的硒硫化锑薄膜太阳能电池的光电转化效率可达10％。
附图说明
图1为本发明实施例中样品Sb2S3(a)和不同硒脲量掺杂(b)10mg、(c)20mg、(d)35mg、(e)50mg和(f)70mg的Sb2(S，Se)3薄膜的XRD图；
图2为本发明实施例中样品Sb2S3(a)和硒脲掺杂量分别为(b)10mg、(c)20mg、(d)35mg、(e)50mg和(k)70mg的Sb2(S，Se)3薄膜的表面SEM图与(f-j)、(1)横截面的SEM图；
图3为本发明实施例中硒硫化锑薄膜的紫外-可见吸收光谱和计算的对应样品的带隙Tauc图；
图4为本发明实施例中水热温度分别为(a)100℃、(b)120℃、(c)135℃、(d)150℃和(e)170℃的Sb2(S，Se)3薄膜的XRD图；
图5为本发明实施例中水热温度分别为(a)100℃、(b)120℃、(c)135℃、(d)150℃和(e)170℃条件下得到的Sb2(S，Se)3薄膜的表面SEM图；
图6为本发明实施例中水热反应时间分别为(a)30min、(b)1h、(c)2h、(d)3h、(e)4h和(f)5h条件下得到的Sb2(S，Se)3薄膜的表面SEM图；
图7为本发明实施例中水热反应时间分别为(a)30min、(b)1h、(c)2h、(d)3h、(e)4h和(f)5h条件下得到的Sb2(S，Se)3薄膜的横截面SEM图；
图8为退火温度分别为(a)200℃、(b)250℃、(c)300℃、(d)350℃和(e)400℃条件下得到的Sb2(S，Se)3薄膜的表面SEM图以及对应的XRD图；
图9为基于不同硒脲掺杂量的Sb2(S，Se)3器件的J-V曲线图；
图10为基于不同水热温度的Sb2(S，Se)3器件的J-V曲线图；
图11为最优条件下Sb2(S，Se)3最佳器件的J-V曲线图及对应的光伏参数。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
针对硒硫化锑薄膜制备的现状，本申请提供了一种硒硫化锑薄膜的制备方法，该方法采用水热法合成了硒硫化锑薄膜，原料成本低，方法简单，且硒硫化锑薄膜的质量较高。具体的，本发明实施例公开了一种硒硫化锑薄膜的制备方法，包括以下步骤：
将酒石酸锑钾、硫源与硒源混合，在密闭环境中进行水热反应，干燥后得到硒硫化锑前驱膜；
将所述硒硫化锑前驱膜进行退火，得到硒硫化锑薄膜。
本申请在制备硒硫化锑薄膜的过程中，首先进行了原料的选择，其中所述硫源选自硫脲、硫代乙酰胺和硫代硫酸钠中的一种或多种；所述硒源选自二硫化硒、二氧化硒和硒脲中的一种或多种，所述锑源选自酒石酸锑钾；上述原料虽然常见，但并非本领域制备硒硫化锑薄膜常用的原料。所述酒石酸锑钾、硫源和硒源的摩尔比为1∶4∶(0.1～0.7)；随着硒的引入，薄膜的致密性有所提到，但是硒的含量过高，则会在硒硫化锑薄膜中出现孔洞。
按照本发明，在原料混合之后则将其在密闭环境中进行水热反应。所述密闭环境优选在水热釜中进行。所述水热反应的温度为80～200℃，时间为10min～4h，在具体实施例中，所述水热反应的温度为100～170℃，时间为2h～3h。所述水热反应的温度高于170℃会对薄膜的生长产生很大的影响，使硒硫化锑薄膜中的Sb2(S，Se)3纳米棒平铺在衬底上生长，从而不利于电子的传输，并且高温情况下，薄膜的生长很难控制。作为较佳的水热反应时间，若反应时间低于2h，薄膜形貌很不均匀，并且薄膜的厚度不足以充分吸收太阳光，若反应时间超过3h，薄膜形貌变差，开始出现裂纹。
经过水热反应后，得到了硒硫化锑前驱膜，再进行退火处理，即得到硒硫化锑薄膜。在本申请中，所述退火温度为200～400℃，在具体实施例中，所述退火的温度为300～375℃；作为较佳的退火温度，当退火温度低于300℃时，薄膜不连续，有很多小孔，并且结晶性也较差，随着退火温度的提高，薄膜变得致密且结晶性提高，但当退火温度高于375℃时，虽然薄膜的结晶性明显提高，但表面会析出一些小颗粒。
本申请还提供了一种太阳能电池器件，包括阴极、电子传输层、空穴传输层、阳极和光吸收层，所述吸光层为上述方案所述的制备方法所制备的硒硫化锑薄膜。
在本申请所述太阳能电池器件中，所述阴极、电子传输层、空穴传输层、阳极均为本领域技术人员熟知的，对此本申请没有特别的限制；在具体实施例中，本申请所述太阳能电池器件是以上述制备的硒硫化锑薄膜作为光吸收层，掺氟的SnO2透明导电玻璃(FTO)、硫化镉(CdS)、Spiro-OMeTAD与金分别作为阴极、电子传输层、空穴传输层与阳极，组装成完整的电池器件。
所述电池器件按照以下方法进行制备：采用化学浴沉积的方法将硫化镉沉积在FTO导电玻璃上，再通过水热方法将硒硫化锑薄膜沉积在硫化镉表面，接着旋涂Spiro-OMeTAD，最后再通过真空蒸镀方式沉积金电极。
本发明提供了一种硒硫化锑薄膜的制备方法及其在光电器件中的应用，该制备方法包括将酒石酸锑钾、硫源与硒源混合，在密闭的条件下进行水热反应，退火后得到硒硫化锑薄膜。与现有技术相比，本发明在水热体系中一步合成了致密且平整的硒硫化锑薄膜，所用原材料成本低，反应温度较低，无需有机溶剂，使制备工艺简单且环保。实验表明，本发明制备的硒硫化锑薄膜太阳能电池的光电转换效率可达10％。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的硒硫化锑薄膜的制备方法及应用进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1
将0.2671g酒石酸锑钾、0.7946g硫代硫酸钠与0～70mg硒脲混合于含有40ml水的50ml反应釜内胆中，待搅拌均匀至溶液变黄，将沉积好CdS的FTO玻璃衬底放入到上述混合溶液中；最后，将高压釜密封并置于烘箱中加热至135℃反应2h，然后自然冷却至室温；开釜后所得硒硫化锑前驱膜经水、乙醇冲洗后再用氮气吹干，接着将前驱膜在手套箱(N2环境)中350℃温度下退火10min，从而制得不同Se/S比例的硒硫化锑薄膜。
利用X光粉末衍射仪对实施例1中得到的FTO/CdS/Sb2(S，Se)3薄膜进行X光衍射分析，得到其X射线衍射谱图如图1所示，图1为样品Sb2S3(a)和不同硒脲量掺杂(b)10mg，(c)20mg，(d)35mg，(e)50mg和(f)70mg的Sb2(S，Se)3薄膜的XRD图，F表示FTO衬底的衍射峰；由图1可见，2θ在10°～45°范围内有清晰可见的衍射峰，相比正交晶系的硫化锑(JCPDF No 42-1393)，Sb2(S，Se)3对应的衍射峰向低衍射角移动。随着硒脲掺杂量的增多，偏移的会更加明显。
利用扫描电镜对实施例1中得到的硒硫化锑薄膜进行分析，得到其扫描电镜照片，如图2所示，图2为样品Sb2S3(a)和硒脲掺杂量分别为(b)10mg，(c)20mg，(d)35mg，(e)50mg和(k)70mg的Sb2(S，Se)3薄膜的表面SEM图与(f-j)，(1)横截面的SEM图。
利用紫外-可见吸收对实施例1中得到的硒硫化锑薄膜进行分析，如图3所示，图3为(a)样品Sb2S3和硒脲掺杂量分别为10mg，20mg，35mg，50mg和70mg的Sb2(S，Se)3的紫外-可见吸收光谱，(b)图是计算对应样品带隙的Tauc图，由图3可知，随着硒脲掺杂量的增多，吸收边红移，带隙减小。
由图1可知，实施例1中得到的硒硫化锑相很纯，由图2与图3可知，实施例1中通过调节硒脲的量可调节硒硫化锑的致密性以及带隙宽度。从图1和图2可以看出，采用水热法制备的Sb2S3与Sb2(S，Se)3薄膜，结晶性与平整性整体都比较好，但是硫化锑中引入Se后薄膜的致密性有所提高，从图2可以看出，硫化锑本身会有孔洞存在，随着Se的引入孔洞消失(＜20mg)；但继续增加Se的引入量(＞20mg)，孔洞再次出现(从截面图可以看出)。
实施例2
将0.2671g酒石酸锑钾、0.7946g硫代硫酸钠与20mg硒脲混合于含有40ml水的50ml反应釜内胆中，待搅拌均匀至溶液变黄，将沉积好CdS的FTO玻璃衬底放入到上述混合溶液中；最后，将高压釜密封并置于烘箱中加热至100℃～170℃反应2h，然后自然冷却至室温；开釜后所得硒硫化锑前驱膜经水、乙醇冲洗后再用氮气吹干，接着将前驱膜在手套箱(N2环境)中350℃温度下退火10min，从而制得不同水热温度的硒硫化锑薄膜。
利用X光粉末衍射仪对实施例2中得到的FTO/CdS/Sb2(S，Se)3薄膜进行X光衍射分析，得到其X射线衍射谱图如图4所示，图4为本实施例中水热温度分别为(a)100℃，(b)120℃，(c)135℃，(d)150℃和(e)170℃的Sb2(S，Se)3薄膜的XRD图，F表示FTO衬底的衍射峰；由图4可见，2θ在10°～45°范围内清晰可见的硫化锑(JCPDF No 42-1393)衍射峰。
利用扫描电镜对实施例2中得到的硒硫化锑薄膜进行分析，得到其扫描电镜照片，如图5所示，图5为本实施例中水热温度分别为(a)100℃，(b)120℃，(c)135℃，(d)150℃和(e)170℃条件下得到的Sb2(S，Se)3薄膜的表面SEM图；由图5可知，实施例2中通过调节水热温度可调节硒硫化锑的形貌。
水热反应过程中，若保证样品厚度一致，水热温度对薄膜的结晶性影响不大，但是水热温度高于170℃时会对薄膜的生长产生很大的影响，使Sb2(S，Se)3纳米棒平铺在FTO/CdS衬底上生长，从而不利于电子的传输；并且高温情况下，对于薄膜的生长很难控制。本申请中水热温度在120～150℃最佳。
实施例3
将0.2671g酒石酸锑钾、0.7946g硫代硫酸钠与20mg硒脲混合于含有40ml水的50ml反应釜内胆中，待搅拌均匀至溶液变黄，将沉积好CdS的FTO玻璃衬底放入到上述混合溶液中；最后，将高压釜密封并置于烘箱中加热至135℃反应30min～5h，然后自然冷却至室温；开釜后所得硒硫化锑前驱膜经水、乙醇冲洗后再用氮气吹干，接着将前驱膜在手套箱(N2环境)中350℃温度下退火10min，从而制得不同水热反应时间的硒硫化锑薄膜。
利用扫描电镜对实施例3中得到的硒硫化锑薄膜进行分析，得到其扫描电镜照片，如图6和图7所示；图6为本实施例中水热反应时间分别为(a)30min，(b)1h，(c)2h，(d)3h，(e)4h和(f)5h条件下得到的Sb2(S，Se)3薄膜的表面SEM图；图7为本实施例中水热反应时间分别为(a)30min，(b)1h，(c)2h，(d)3h，(e)4h和(f)5h条件下得到的Sb2(S，Se)3薄膜的横截面SEM图；由图可知，反应时间会明显影响薄膜的厚度和致密性；反应时间低于2h，薄膜形貌很不均匀，并且薄膜的厚度不足以充分吸收太阳光；若反应时间超过3h，薄膜形貌变差，开始出现裂纹。因此我们最终确定，水热反应时间为2h。
实施例4
将0.2671g酒石酸锑钾、0.7946g硫代硫酸钠与20mg硒脲混合于含有40ml水的50ml反应釜内胆中，待搅拌均匀至溶液变黄，将沉积好CdS的FTO玻璃衬底放入到上述混合溶液中；最后，将高压釜密封并置于烘箱中加热至135℃反应2h，然后自然冷却至室温；开釜后所得硒硫化锑前驱膜经水、乙醇冲洗后再用氮气吹干，接着将前驱膜在手套箱(N2环境)中200℃～400℃温度下退火10min，从而制得不同退火温度的硒硫化锑薄膜。
利用扫描电镜XRD技术对实施例4中得到的硒硫化锑薄膜进行分析，得到其扫描电镜照片和XRD图，如图8所示，图8为本实施例退火温度分别为(a)200℃，(b)250℃，(c)300℃，(d)350℃和(e)400℃条件下得到的Sb2(S，Se)3薄膜的表面SEM图，(f)对应条件下得到的Sb2(S，Se)3薄膜的XRD图；由图8可知，实施例4中通过调节退火温度可调节硒硫化锑薄膜的致密性和结晶性；当退火温度低于300℃时，薄膜不连续，有很多小孔，并且结晶性也较差；随着退火温度的提高，薄膜变得致密且结晶性提高；但当退火温度高于375℃时，虽然薄膜的结晶性明显提高，但表面会析出一些小颗粒。
对比例1
将0.2671g酒石酸锑钾、0.2435g硫脲与20mg硒脲混合于含有40ml水的50ml反应釜内胆中，待搅拌均匀，将沉积好CdS的FTO玻璃衬底放入到上述混合溶液中；最后，将高压釜密封并置于烘箱中加热至135℃反应2h，然后自然冷却至室温；开釜后FTO/CdS衬底上并未沉积上硒硫化锑前驱膜。
实施例5
将实施例1和实施例2得到的硒硫化锑薄膜组装成电池器件：
采用化学浴沉积的方法将硫化镉沉积在FTO导电玻璃上，在水浴温度为65℃条件下沉积18min，再通过水热的方法将实施例1和实施例2的硒硫化锑沉积在硫化镉表面作为光吸收层，接着旋涂36.6mg/ml的Spiro-OMeTAD使厚度约为90nm，最后再通过真空蒸镀方式沉积70nm的金电极。
上述得到的电池器件在一个太阳辐射的光照下(1.5G)测得电流密度-电压(J-V)曲线如图9与图10所示，相应的光伏参数如表1与表2所示；其中图9与表1为实施例1中得到的不同硒掺杂量的硒硫化锑电池器件的J-V曲线图与对应的光伏参数，图10与表2为实施例2中得到的不同水热温度条件下的硒硫化锑太阳能电池的J-V曲线图与对应的光伏参数；
表1一个太阳辐射的光照下(1.5G)测得的不同硒脲掺杂量的Sb2(S，Se)3太阳能电池对应的光伏参数表
表2一个太阳辐射的光照下(1.5G)测得的不同水热温度生长的Sb2(S，Se)3器件对应的光伏参数表
由图9与表1可知，当硒脲量为20mg时，器件的PCE最优，可达9.1％，由图10与表2可知，当水热温度为135℃～150℃时，器件的PCE最优。
通过实施例3与实施例4可知，使硒硫化锑器件的最高光电转换效率可达10％，如图11所示，图11为最优条件下Sb2(S，Se)3最佳器件的J-V曲线图及对应的光伏参数，由图11可知，器件的开路电压(VOC)、短路电流密度(JSC)以及填充因子(FF)分别可达0.655V、24.07mA.cm-2和63.5％。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
