鈣鈦礦太陽電池多孔層材料的改性

張翁晶　胡木林

摘 要：鈣鈦礦太陽能電池多孔層材料的改性是提高電池性能的一種有效手段。本文采用溶膠凝膠法制備三元復(fù)合納米粉體， XRD和UV-Vis測試粉體的晶體結(jié)構(gòu)和光譜響應(yīng)能力。再將粉體研磨成漿料，絲網(wǎng)印刷組裝成鈣鈦礦太陽能電池，測試相關(guān)參數(shù)。結(jié)果表明，三元復(fù)合納米粉體制備的電池短路電流密度顯著提高，相比傳統(tǒng)電池短路電流密度提高40%。

關(guān)鍵詞：鈣鈦礦；太陽能電池；多孔層材料

近年來，將不同禁帶寬度的半導(dǎo)體材料復(fù)合形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，被廣泛應(yīng)用于太陽能、光催化、氣敏等領(lǐng)域[ 1 ]。

TiO2是鈣鈦礦太陽能電池中最常見的多孔層材料[ 2 ]，但TiO2電荷遷移率很低，限制了電池效率的進一步提高[ 3 ]。ZnO、SnO2與TiO2具有相似的禁帶寬度，電荷遷移率遠高于TiO2。Mulmudi等人通過化學(xué)氣相沉積法制備ZnO納米棒結(jié)構(gòu)，組裝鈣鈦礦太陽能電池[ 4 ]；Murugadoss等人通過旋涂法制備SnO2膜層，組裝平面異質(zhì)結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽能電池[ 5 ]。雖然ZnO、SnO2的電荷遷移率高，但這些材料制備的電池的實際效率仍比TiO2低，原因ZnO、SnO2表面電荷復(fù)合十分嚴(yán)重。為此科學(xué)家嘗試制備TiO2/ZnO復(fù)合粉體[ 6 ]、TiO2/SnO2復(fù)合粉體，復(fù)合粉體能夠促進電荷分離、提高界面電荷轉(zhuǎn)移效率、抑制光生電荷的復(fù)合，從而提高太陽能電池的性能[ 7 ]。

基于以上探究，在二元領(lǐng)域已有很多涉足，但三元領(lǐng)域還少有研究。理論上三元復(fù)合從能級角度出發(fā)，更能促進電荷的分離，降低電荷復(fù)合，提高電池性能。本文嘗試通過溶膠-凝膠法制備一元、二元、三元復(fù)合納米粉體，絲網(wǎng)印刷成膜，組裝成鈣鈦礦太陽能電池，從而比較復(fù)合納米粉體對電池參數(shù)的影響。

1 實驗材料和過程

1.1 實驗材料

本實驗使用的實驗材料主要有：鈦酸四丁酯，五水四氯化錫，二水和醋酸鋅，無水乙醇，甲基碘化銨，碘化鉛，異丙醇，N-N二甲基甲酰胺均為化學(xué)純試劑。

1.2 粉體制備及電池組裝

將鈦酸四丁酯、二水和醋酸鋅、五水四氯化錫溶于乙醇，配制Ti、Ti/Zn、Ti/Sn、Ti/Zn/Sn前驅(qū)體溶液，室溫下攪拌后靜置，得到淡黃色溶膠，干燥一夜得到干凝膠。500℃煅燒3h，得到淡黃色粉末。

FTO玻璃激光刻蝕后，超聲清洗。噴霧熱解法在基底表面沉積TiO2致密層。絲網(wǎng)印刷復(fù)合納米多孔層、ZrO2和C層，最后注入CH3NH3PbI3，組裝成鈣鈦礦太陽能電池。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合納米粉體XRD分析

復(fù)合納米粉體使用XRD測試晶體結(jié)構(gòu)，結(jié)果見下圖1。圖a是TiO2納米粉體和三元復(fù)合粉體的XRD圖，TiO2納米粉體中只有銳鈦礦相TiO2存在。三元復(fù)合納米粉體中存在銳鈦礦、金紅石、ZnTiO3和SnO2；圖b是二元粉體的XRD圖，金紅石相TiO2的出現(xiàn)表明，Zn、Sn的存在能夠促進銳鈦礦在較低溫度下向金紅石相TiO2轉(zhuǎn)變。粉體中未出現(xiàn)ZnO表明，Zn2+更易于與TiO32-結(jié)合形成ZnTiO3。

2.2 復(fù)合納米粉體UV-Vis分析

為進一步分析復(fù)合納米粉體的光譜響應(yīng)能力，測試粉體的UV-Vis曲線，結(jié)果見下圖2。粉體在紫外區(qū)透光度很小，在可見光區(qū)透光度很大，這與材料的寬禁帶有關(guān)。在可見光區(qū)的高透射率也是太陽能電池選材的條件，這樣才能保證照射的太陽光透過多孔層材料，從而被鈣鈦礦吸光層材料吸收。

復(fù)合材料在可見光區(qū)仍具備高透光性，在380nm左右的透射峰的峰強有所改變，峰的位置基本沒有發(fā)生變化。峰強度的改變，表明多孔膜層透光度的增加，照射到多孔層上的太陽光的損失降低，鈣鈦礦層的吸光強度增加，載流子產(chǎn)生的數(shù)量必將增多。

2.3 電池參數(shù)分析

為比較復(fù)合后材料對電池參數(shù)的影響，通過電化學(xué)工作站測試相關(guān)數(shù)據(jù)，見下表1。復(fù)合后電池的開路電壓Voc和短路電流密度Jsc均有所增加。Voc與電荷復(fù)合有關(guān)，Voc的增加表明復(fù)合后電荷復(fù)合減少；Jsc與載流子的分離有關(guān)，Jsc的增加表明復(fù)合后促進光生載流子的產(chǎn)生分離和傳輸。

三元相比二元，Voc和短路電流Jsc又有所增加，原因是Ti/Zn/Sn的導(dǎo)帶處于不同位置且都比鈣鈦礦導(dǎo)帶低，在鈣鈦礦層和基底之間形成一個緩沖層，使得鈣鈦礦導(dǎo)帶的電子相比二元能夠更有效的傳輸?shù)交咨?，同時又能阻止基底上的電子反向傳輸，降低復(fù)合。

結(jié)合UV-Vis分析可知，太陽光強度增加，載流子的生成量增加，再通過復(fù)合膜層有效傳輸?shù)紽TO基底，電池的短路電流密度明顯增加，相比未復(fù)合電池的短路電流密度增量接近40%。

2.4 阻抗譜分析

為進一步驗證Jsc明顯增加原因，測試電池的電化學(xué)阻抗譜來研究電池的內(nèi)部特性，結(jié)果見下圖3。圖中左上角的插圖為電池的等效電路，并聯(lián)電阻Rp與半圓的直徑有關(guān)，直徑越大，Rp越大，電池漏電流越小，電荷復(fù)合減少。復(fù)合后半圓的直徑均增大，這表明載流子的復(fù)合降低，與之前分析結(jié)果一致。其中三元復(fù)合電池的直徑最（下轉(zhuǎn)第126頁）（上接第102頁）大，也進一步印證Jsc明顯增加的原因。

3 結(jié)論

通過溶膠凝膠法制備一元、二元、三元復(fù)合納米粉體，網(wǎng)印刷成膜組裝成鈣鈦礦太陽能電池后，電池的開路電壓和短路電流密度增加，尤其是短路電流密度。

相比一元二元，三元復(fù)合能夠吸附更多的鈣鈦礦吸光材料，同時促進鈣鈦礦層產(chǎn)生更多的載流子，提高短路電流密度；同時有利于電荷的傳輸和分離，降低電子空穴的復(fù)合。三元復(fù)合電池的短路電流密度相比一元增加40%。

參考文獻：

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