鈣鈦礦太陽能電池制備方法及性能優(yōu)化研究

盛秋月

摘 要：化石燃料的大量使用對社會環(huán)境帶來了較大壓力，生態(tài)環(huán)境破壞、全球氣候變暖等問題日益嚴重，給人類的生產(chǎn)生活帶來極大挑戰(zhàn)。鈣鈦礦太陽能電池是近年來為緩解資源緊張研發(fā)出的一種新型的太陽能電池，其以鈣鈦礦材料作為光吸收層，一方面該材料較為環(huán)保，很大程度上緩解了資源緊張狀況；另一方面該電池的光電轉換效率與往年相比有了大幅度提高?；诖耍疚闹饕槍︹}鈦礦太陽能電池，分析其制備方法，并對其性能優(yōu)化進行深入研究。

關鍵詞：鈣鈦礦 太陽能電池 制備方法 性能優(yōu)化

中圖分類號：TM914.4 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2019）03（b）-0074-02

鈣鈦礦太陽能電池作為一種新型太陽能電池，一經(jīng)出世就迎來了飛速發(fā)展，也吸引了眾多科研工作者的關注，自2009年首次報道以來，其經(jīng)歷了短短幾年時間，光電轉換效率就已達到20%以上，由此可見，鈣鈦礦太陽能電池已然成為廣電領域最具發(fā)展?jié)摿Φ拿魅罩恰?/p>

1 鈣鈦礦太陽能電池制備

1.1 鈣鈦礦溶液的制備

1.1.1 CH3NH3I的合成

物料準備：甲胺溶液40mL，氫碘酸溶液30mL，圓底燒瓶，水，無水乙醇，無水乙醚，冰袋。

合成步驟：將40mL甲胺溶液和30mL氫碘酸溶液倒入圓底燒瓶中快速混合，之后放入帶有冰袋的水中，依次加入甲胺溶液、氫碘酸溶液，在氮氣的保護下放入0℃冰水中反應2h之后進行旋蒸并反應4h，得到由黃變白的碘甲胺固體，再用無水乙醇和無水乙醚重結晶3次，得到純凈的碘甲胺，再放置60℃以下的真空中干燥24h，最后放入手套箱準備后續(xù)使用。

1.1.2 鈣鈦礦溶液的配置

物料準備：碘化鉛，MAI，棕色瓶子，磁子，GBL，DMSO

配置步驟：將棕色瓶子洗凈，在按照摩爾比1：1稱量好碘化鉛和MAI，并放入洗凈的棕色瓶子，再放入事先用乙醇超聲過、氮氣吹干的磁子。再將GBL和DMSO按照7：3的濃度、體積比混合，作為溶劑溶解MAI。在常溫下攪拌10min后，將此時的MAI溶液滴加入放有碘化鉛的棕色瓶中，再置于70℃的空間攪拌12h。

1.2 電池器件的制備

1.2.1 TiO2阻擋層的制備

在制備TiO2阻擋層時，通常是采用噴霧熱解法，在噴涂時需要注意以下幾點：（1）在噴涂之前預留出電極的位置；（2）以氧氣為載氣，將噴槍氣壓調整為0.8MPa左右；（3）將FTO基片置于450℃的加熱臺上，依次將4mL配制好的溶液加入噴槍中噴涂與FTO表面。噴涂完畢后注意將基片進行退火操作，需將其置于500℃的加熱臺退火20min，進而使得溶液中Ti4+與氧氣充分反應，最終形成致密的TiO2薄膜。待一切工作整理完成后方可進行下一步的操作。

1.2.2 鈣鈦礦吸光層的制備

鈣鈦礦吸光層制備在手套箱里進行。用鑷子將生長有白色氧化鈦的FTO基片置于手套箱里120℃烤5min去除水汽，放到板子上放涼后開始多步旋涂。第一步先滴加鈣鈦礦溶液進行低速旋涂，第二步?jīng)_洗400μL的二氯苯后繼續(xù)甩25s。第二步所加的時間點需要摸索，在4～5.5s之間，加早了片子中間會出現(xiàn)一個同心圓，加晚了第一步的溶劑已經(jīng)析出，片子上面出現(xiàn)白霧，旋的好的情況下旋完片子是透明的，放到熱臺上立刻變紅變黑，旋完之后100℃退火9min。

1.2.3 空穴傳輸層的制備

空穴傳輸層是鈣鈦礦太陽能電池的重要組成部分，能夠調控電極與活性層之間的能級匹配、調節(jié)內建電場和增強電荷收集的作用。當前，常用的空穴傳輸層材料是聚（3，4-乙撐二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT：PSS）。但由于PEDOT：PSS呈強酸性，會對電極產(chǎn)生腐蝕作用，不利于聚合物太陽能電池的長期穩(wěn)定使用。因此，在旋涂PEDOT：PSS空穴傳輸層之前，首先，可以用30mL的棕色大瓶子取適量PEDOT：PSS，用水系過濾頭一次性過濾到棕色小瓶子里，再使用移液槍取過濾后的PEDOT：PSS溶液進行旋涂，速度可以設置為4000rpm，加速度設置為6000，旋涂1min時長即可，再放到玻璃培養(yǎng)皿中，等所有的片子旋好后一起放到熱臺上150℃退火15min。

2 鈣鈦礦太陽能電池的性能優(yōu)化

2.1 對襯底的優(yōu)化

襯底位于光陽極與光吸收層（鈣鈦礦材料）之間，要求具備較好的透光性。鈣鈦礦材料所產(chǎn)生的電子需要通過襯底傳輸至光陽極，所以就襯底的優(yōu)化而言，提高其電子傳輸性能是必備條件，納米TiO2晶粒常作為電子傳輸層，但高質量的TiO2傳輸層需要經(jīng)過450℃以上的燒結，需要較高的生產(chǎn)成本。在對ITO襯底進行清潔時，應先將ITO置于去離子水中并進行超聲清洗，1h后用脫脂棉和洗滌靈清洗基片直至形成均勻的水膜，重復清洗3次，再以無水乙醇超聲清洗20min。

2.2 對ZnO電子傳輸層的優(yōu)化

為獲得低傳輸電阻R、高的并聯(lián)電阻Rs、低的反向飽和電流密度Jo和二極管品質因子A，某研究組開始對ZnO電子傳輸層實行優(yōu)化，并研究出其優(yōu)化方向為薄且致密結晶質量高、缺陷少。接下來，筆者將針對ZnO電子傳輸層的優(yōu)化方向進行以下探討：

首先，由于我們所制備的Sol-gel ZnO薄膜只有在具備較大厚度的前提下才能有效阻擋空穴傳輸，減少復合，基于此，我們研究開發(fā)更適宜的制備方法和工藝，開始嘗試采用噴霧熱解法制備ZnO電子傳輸層，從而獲得薄且致密、結晶質量高的ZnO電子傳輸層。

其次，利用熱處理原理，在控制合適的氣氛下，開始進行熱處理，與此同時，需嚴格按照熱處理原則，以期達到提高薄膜結晶質量的目的。

最后，借助界面工程技術，減少或鈍化所制備的Sol-gel ZnO中大量的帶間表面態(tài)，進而降低其中的電子濃度，提高導帶中的電子濃度，不僅降低了界面復合作用，而且提高了ZnO的準Fermi能級，保證鈣鈦礦太陽能電池的優(yōu)質性能。

2.3 對空穴傳輸層的優(yōu)化

PEDOT是當前最為常見的空穴傳輸層，但由于多種限制因素的存在，迫切需求找到一種可替代性強的新型材料。經(jīng)閱相關文獻，筆者發(fā)現(xiàn)了一種很好的替代物——NiOx，NiOx的具體合成過程如下。

首先將Ni（NO3）2·6H2O溶解于水中，濃度為5mol/L，將其進行充分攪拌得到深綠色溶液。再向溶液中加入過量的、溶度為10mol/L的氫氧化鈉溶液，使其pH值達到10，后攪拌5min。再加入大量的水洗滌沉淀，得到淺綠色粉末，再將這些粉末進行燒灼，使其成為黑色狀，即NiOx。但在使用之前還應注意其使用方法，詳細查詢其限制性因素，嚴格按照規(guī)定進行操作。NiOx的應用相對于PEDOT提高了器件的填充因子在兩步法PbI2-DMSO復合物器件中，應用NiOx的器件性能優(yōu)于應用PEDOT的器件。NiOx的使用在一定程度上提高了器件的效率。

3 結語

鈣鈦礦型太陽能電池自2009年被提出以來，因其獨特的光電性質，高質量的光電轉換，且制備簡單，成本低廉，使得該材料一經(jīng)使用就得到了各國科研人員的廣泛關注，正因如此，鈣鈦礦太陽能電池才能在世界范圍得到更廣泛的發(fā)揮空間。在未來，鈣鈦礦太陽能電池也應延續(xù)當前發(fā)展優(yōu)勢，繼續(xù)以研究質量為重點，不斷對各載流子傳輸層的結構進行優(yōu)化升級。

參考文獻

[1] 湯笑.倒置鈣鈦礦太陽能電池的制備及性能優(yōu)化[D].南京郵電大學，2018.

[2] 張慧婕.高效無機鈣鈦礦太陽能電池的制備與光電性能研究[D].湖北大學，2018.