铜锌锡硫(Cu2ZnSnS4)晶种层的制备及其对Cu2S对电极的生长及性能的影响研究

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量子点敏化太阳能电池(QDSSCs)因其利用尺寸大小可调并拥有高消光系数等独特优势的量子点作为光吸收材料,而受到大家日益广泛的关注。对电极作为它的组成部分之一,其催化活性的优劣将对电池性能产生重要影响。在对电极材料的研究中,以对铜硫化物的研究居多,且以用腐蚀铜的方法制备的Cu2S性能为最优,但是它存在电解液持续腐蚀对电极造成对电极瓦解的弊端。因此,在过去的几十年中,大家从改善Cu2S制备方法入手展开研究,并普遍选用氟掺杂的二氧化锡(FTO)作为Cu2S生长的基底,而忽略了FTO与Cu2S之间的晶格不匹配的问题,尤其是对于像化学浴沉积法(CBD)、连续离子层吸附反应(SILAR)等这种需要自发成核生长的方法,FTO的晶格结构将对Cu2S的成核生长产生直接的影响,进而影响其催化活性以及最终的器件性能。为了对以上普遍存在的问题进行改善,我们在FTO与Cu2S之间引入了与Cu2S晶格结构更加相似、更加匹配的Cu2ZnSnS4(CZTS)作为Cu2S生长的晶种层。我们认为与传统使用的FTO相比,CZTS将更适合Cu2S的生长,从而形成更多位点,将利于提升对电极的催化活性。具体研究内容如下:首先,利用简单的溶液法在FTO表面制备CZTS晶种层。为了获得最优的CZTS晶种层,我们通过改变溶剂,调节CZTS前驱体溶液的配方而分别得到具有不同形貌的CZTS晶种层,然后在不同形貌的晶种层上利用CBD法分别生长Cu2S,并通过对电化学阻抗(EIS)测试数据的分析确定了晶种层的最佳形貌。在形貌调控的基础上,我们又通过改变旋涂转速与旋涂层数对其厚度作了进一步优化.为了进一步研究CZTS晶种层对Cu2S的生长及性能的影响,我们在FTO和FTO/CZTS上利用CBD法生长Cu2S,并通过一系列的测试表征手段探究了CZTS晶种层的作用。扫描电镜(SEM)的表征结果显示,在引入了CZTS晶种层后,Cu2S明显生长的要更多,其结果与拉曼(Raman)测试的数据结论相一致,表明CZTS与FTO相比是更适合Cu2S的生长的,而对样品进行的催化活性的测试结果也进一步表明,FTO/CZTS/Cu2S的电荷转移电阻明显更小,其催化活性得到了显著提升,而器件性能测试结果最终表明,CZTS晶种层的引入使得电池的填充因子得到改善,电池性能得到了优化。综上所述,与传统使用的FTO衬底相比,CZTS晶种层的引入有利于促进Cu2S的生长,提升了对电极的催化性能,改善电池填充因子,提高电池性能,同时也为今后改善对电极材料的性能方面提供了新的思路。
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