盛秋月

摘 要：化石燃料的大量使用對(duì)社會(huì)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(yán)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(zhuǎn)換效率與往年相比有了大幅度提高?；诖?，本文主要針對(duì)鈣鈦礦太陽能電池，分析其制備方法，并對(duì)其性能優(yōu)化進(jìn)行深入研究。

關(guān)鍵詞：鈣鈦礦 太陽能電池 制備方法 性能優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TM914.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(guān)注，自2009年首次報(bào)道以來，其經(jīng)歷了短短幾年時(shí)間，光電轉(zhuǎn)換效率就已達(dá)到20%以上，由此可見，鈣鈦礦太陽能電池已然成為廣電領(lǐng)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(zhǔn)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?dú)獾谋Ｗo(hù)下放入0℃冰水中反應(yīng)2h之后進(jìn)行旋蒸并反應(yīng)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(jié)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(zhǔn)備后續(xù)使用。

1.1.2 鈣鈦礦溶液的配置

物料準(zhǔn)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?dú)獯蹈傻拇抛?。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(shí)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(shí)，通常是采用噴霧熱解法，在噴涂時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)：（1）在噴涂之前預(yù)留出電極的位置；（2）以氧氣為載氣，將噴槍氣壓調(diào)整為0.8MPa左右；（3）將FTO基片置于450℃的加熱臺(tái)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(jìn)行退火操作，需將其置于500℃的加熱臺(tái)退火20min，進(jìn)而使得溶液中Ti4+與氧氣充分反應(yīng)，最終形成致密的TiO2薄膜。待一切工作整理完成后方可進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(shí)間點(diǎn)需要摸索，在4～5.5s之間，加早了片子中間會(huì)出現(xiàn)一個(gè)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(tái)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(diào)控電極與活性層之間的能級(jí)匹配、調(diào)節(jié)內(nèi)建電場和增強(qiáng)電荷收集的作用。當(dāng)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(qiáng)酸性，會(huì)對(duì)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(jìn)行旋涂，速度可以設(shè)置為4000rpm，加速度設(shè)置為6000，旋涂1min時(shí)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(tái)上150℃退火15min。

2 鈣鈦礦太陽能電池的性能優(yōu)化

2.1 對(duì)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(zhì)量的TiO2傳輸層需要經(jīng)過450℃以上的燒結(jié)，需要較高的生產(chǎn)成本。在對(duì)ITO襯底進(jìn)行清潔時(shí)，應(yīng)先將ITO置于去離子水中并進(jìn)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(fù)清洗3次，再以無水乙醇超聲清洗20min。

2.2 對(duì)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(zhì)因子A，某研究組開始對(duì)ZnO電子傳輸層實(shí)行優(yōu)化，并研究出其優(yōu)化方向?yàn)楸∏抑旅芙Y(jié)晶質(zhì)量高、缺陷少。接下來，筆者將針對(duì)ZnO電子傳輸層的優(yōu)化方向進(jìn)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(fù)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(jié)晶質(zhì)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(jìn)行熱處理，與此同時(shí)，需嚴(yán)格按照熱處理原則，以期達(dá)到提高薄膜結(jié)晶質(zhì)量的目的。

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

2.3 對(duì)空穴傳輸層的優(yōu)化

PEDOT是當(dāng)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(qiáng)的新型材料。經(jīng)閱相關(guān)文獻(xiàn)，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(jìn)行充分?jǐn)嚢璧玫缴罹G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(dá)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(jìn)行燒灼，使其成為黑色狀，即NiOx。但在使用之前還應(yīng)注意其使用方法，詳細(xì)查詢其限制性因素，嚴(yán)格按照規(guī)定進(jìn)行操作。NiOx的應(yīng)用相對(duì)于PEDOT提高了器件的填充因子在兩步法PbI2-DMSO復(fù)合物器件中，應(yīng)用NiOx的器件性能優(yōu)于應(yīng)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(jié)語

鈣鈦礦型太陽能電池自2009年被提出以來，因其獨(dú)特的光電性質(zhì)，高質(zhì)量的光電轉(zhuǎn)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(guān)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(yīng)延續(xù)當(dāng)前發(fā)展優(yōu)勢，繼續(xù)以研究質(zhì)量為重點(diǎn)，不斷對(duì)各載流子傳輸層的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)。

參考文獻(xiàn)

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