PZT對鈣鈦礦太陽能電池的影響

摘 要：太陽能電池目前已成為科學(xué)界的研究熱點，太陽能電池主要由電子傳輸層、光活性層以及空穴傳輸層這幾部分構(gòu)成。提高太陽能電池的效率也大多是從這幾方面考慮的。本文旨在將PZT摻入太陽能電池的光吸收層和空穴層之間，在光電轉(zhuǎn)換過程中將散失的熱能轉(zhuǎn)換為電能，從而提高鈣鈦礦太陽能電池的效率。

關(guān)鍵詞：鈣鈦礦；光活性層；PZT；光電轉(zhuǎn)換效率

1 PZT簡介

PZT——鋯鈦酸鉛，是鐵電體PbTiO3和反鐵電體PbZrO3形成的二元固溶體，材料的介電、鐵電、壓電性可由Zr、Ti的比例不同而不同。PZT薄膜在接近居里溫度時表現(xiàn)出巨熱釋電效[ 1 ]。

2 鈣鈦礦太陽能電池

鈣鈦礦簡介：MAPbX3（X為鹵族元素）這一類物質(zhì)稱為鈣鈦礦。鈣鈦礦具有較高的吸收效率、高電子遷移率、能帶寬及高穩(wěn)定性等特點[ 2 ]。MAPbX3鈣鈦礦被認為是在光伏領(lǐng)域最具有競爭的材料，因為它價格低廉、有效的吸收性[ 3 ]。MAPbI3分子結(jié)構(gòu)式是ABO3型。鈣鈦礦材料主要分為兩種：有機-無機雜化性和無機型。前者結(jié)構(gòu)中是由無機原子團取代的晶胞位置，而非單個原子。較無機鈣鈦礦相比，有機-無機鈣鈦礦具有更好的光學(xué)性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)。1）激子束縛能小，在室溫下就能使空穴和電子分離成載流子。2）介電常數(shù)大。3）載流子擴散快，距離長。4）光吸收譜有較廣的范圍，吸收邊達到800nm。太陽能電池的工作原理：鈣鈦礦太陽能電池主要由：電子傳輸層、光吸收層、空穴傳輸層以及電極四部分構(gòu)成。電子傳輸層的作用是，提高光生電子遷移率，阻擋空穴遷移至陰極，光吸收層MAPbI3是空穴的傳輸通道。鈣鈦礦太陽能電池的基底結(jié)構(gòu)大致為FTO/TiO2/MAPbI3/HTM/Au。由于空穴傳輸材料價格昂貴，所以本文中實驗制備的是無空穴傳輸材料。

3 實驗過程

MAPbI3的制備：30ml質(zhì)量分數(shù)為57%的氫碘酸和27.8 ml、40%的甲胺醇溶液，混合冰浴2h，然后將反應(yīng)后的溶液50℃干燥至白色粉末狀物，再用無水乙醇和乙醚萃取，無水乙醇和乙醚的體積比為1：30，萃取干燥后得到的晶體即為MAI晶體。將0.318g MAI和0.924g PbI2和2ml DMF混合，40℃水浴加熱5min左右即可得到溶液。

PZT材料制備：將0.01mol醋酸鉛與適量甲醇溶液混合得A溶液，將0.01mol硝酸氧鋯與適量乙酰丙酮溶液混合得B溶液，將0.01mol鈦酸丁酯與適量乙醇混合得C溶液。將A、B溶液倒入C中，用加熱套加熱，冷凝回流10h左右。直至溶液顏色變成紅褐色。注意加熱套溫度不要調(diào)至過高。否則會使有機物碳化在燒瓶內(nèi)。

實驗過程：用適量的丙酮、無水乙醇、去離子水，在超聲清洗器（SK 3210）清洗FTO導(dǎo)電玻璃，各超聲5分鐘。在臺式勻膠機（KW-4A型）固定好FTO玻璃，在有導(dǎo)電層的一面涂上TiO2溶膠，將轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速I 為1000r/min，時間為10s，轉(zhuǎn)速II為2000r/min，時間為20s。取下FTO玻璃片，待晾干，放入馬弗爐中加熱，溫度設(shè)為450℃，保溫1小時，退火冷卻。再旋涂上MAPbI3薄膜，晾干，再旋涂PZT薄膜，晾干。蒸鍍上Al電極，測試即可。

4 樣品表面表征及性能測試

因無光照，沒有光生電子，在某種程度上表示電子的復(fù)合過程。電流如果越大，則電子復(fù)合程度。經(jīng)PZT修飾的光活性層制備的電池，電子復(fù)合程度較未經(jīng)PZT修飾光活性層電池小。這證明經(jīng)PZT修飾過光活性層后對電子復(fù)合過程起到了抑制作用。經(jīng)過PZT修飾的太陽能電池光電流密度從19.84mA/cm提升到21.41mA/cm。開路電壓相差不大。但填充因子有明顯的提高，提高了11.23%，因此明顯提高了電池的轉(zhuǎn)化效率。

5 結(jié)論

通過實驗與分析，經(jīng)過PZT修飾的太陽能電池，效率有明顯的提高。CH3NH3PbI3在常溫下是四方結(jié)構(gòu)，由于鉛元素的孤對電子常被應(yīng)用于多鐵和鐵電領(lǐng)域，含鉛無機鈣鈦礦通常存在鐵彈性和鐵電的相變。在有光照的條件下，鉛因為有多個價態(tài)，加上偏壓有可能導(dǎo)致共邊的八面體扭曲使得A、B位產(chǎn)生電偶極。具有鐵電性的PZT在常溫附近有兩個想變點，相轉(zhuǎn)變溫度只有幾攝氏度的范圍，有光照的情況下來回相變，并不會損失自發(fā)極化，且釋放電荷，因此熱釋電系數(shù)高。PZT熱釋電系數(shù)高，把光的那部分熱量轉(zhuǎn)化為電能，增大了電流密度，使得太陽能電池的填充因子增大，從而提高了鈣鈦礦太陽能電池的效率。

參考文獻：

[1] A.S.Mischenko，Q.Zhang et al.Giant Electrocaloric Effect in Thin-Film PbZr0.95Ti0.05O3 Science Vol.311， 2006（1270）.

[2] Anyi Mei， Xiong Li， Hongwei Han. A hole-conductor-free， fully printable mesoscopic perovskite solar cell with high stability[J]. Science.1254763，2014.

[3] N-G.Park，J.Phys，Chem.Lett.4（2013）2423-2429.

作者簡介：黃希，江西南昌人，漢族，天津師范大學(xué)研究生，專業(yè)：鈣鈦礦太陽能電池研究。