鈣鈦礦太陽能電池的制備(共4頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上鈣鈦礦太陽能電池的原理及其制備戚明月 摘要：本文簡要回顧了鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展歷史,表明了鈣鈦礦太陽能電池在本質(zhì)上是固態(tài)染料敏化太陽能電池。從電池的光生電機理、各層材料及其作用和電池結(jié)構(gòu)等角度介紹了鈣鈦礦太陽能電池。以此為基礎(chǔ)，成功制備了一批鈣鈦礦太陽能電池并簡單的檢測了其伏安曲線，以此分析判斷制備工藝的不同對其的影響。最后指出了鈣鈦礦太陽能電池大規(guī)模市場應(yīng)用在制造技術(shù)上的瓶頸以及可能的解決方法。關(guān)鍵詞：鈣鈦礦太陽能電池；制備；性能專心-專注-專業(yè)1引言眾所周知，能源問題材料科技發(fā)展的一大動力，太陽能電池作為清潔的能源從上世紀50年代就一直是科研的熱點怎么提高光電轉(zhuǎn)

2、化效率，如何降低成本市場化等等。至今太陽能電池已發(fā)展到第四代，他們分別是第一代晶體硅太陽能電池、第二代化合物薄膜太陽能電池、第三代聚合物太陽能電池和第四代光敏化太陽能電池，而本文重點介紹的鈣鈦礦太陽能電池實質(zhì)上是固態(tài)染料敏化太陽能電池。其中硅基太陽能電池研究最早，技術(shù)也最為成熟，分為單晶硅、多晶硅和非晶硅太陽能電池，雖然占據(jù)了太陽能絕大部分的市場，但由于不是效率不高、不穩(wěn)定，就是成本太高，制備污染大等原因，有待尋找新的材料及技術(shù)。近些年發(fā)展的薄膜太陽能電池和聚合物太陽能電池，都或多或少不能滿足市場化的要求，比如技術(shù)較為成熟的碲化鎘薄膜太陽能電池中鎘有毒，銅銦硒薄膜太陽能電池中稀有金屬硒成本高，

3、而聚合物太陽能電池雖有其他無機材料無可比擬的工藝簡單、柔性好等優(yōu)點，但光電轉(zhuǎn)化效率瓶頸難以突破。幾類薄膜太陽能電池能量轉(zhuǎn)換效率如圖1。從圖中可以看出，最后投入研究的鈣鈦礦太陽能電池異軍突起，光電轉(zhuǎn)換效率迅猛上升，目前已超過之前所有太陽能電池材料。雖然鈣鈦礦太陽能電池目前也存在著一些技術(shù)上的瓶頸和市場化的難題，但憑借高轉(zhuǎn)化效率，污染少等優(yōu)勢，是值得研究的。圖1幾類薄膜太陽能電池能量轉(zhuǎn)換效率2鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展1839 年,俄羅斯礦物學(xué)家von Perovski 首次發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦存在于烏拉爾山的變質(zhì)巖中。目前,已知有數(shù)百種此類礦物質(zhì),其家族成員從導(dǎo)體到絕緣體范圍極為廣泛,最著名的是高溫氧化銅超導(dǎo)

4、體。制備鈣鈦礦太陽能電池所用的鈣鈦礦鈣鈦礦太陽能電池材料通常為CH3NH3PbI3 ,屬于半導(dǎo)體。如圖2 所示。鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的通式為ABO3，鈣鈦礦太陽能電池中A為甲基胺,B為鉛,O為碘或氯或者兩者混合。圖2鈣鈦礦結(jié)構(gòu)示意圖鈣鈦礦太陽能電池的興起得益于染料敏化太陽能電池技術(shù)的發(fā)展。液態(tài)染料敏化太陽能電池由多孔TiO2及其附著的增強光吸收的染料、氧化還原液體電解質(zhì)和金屬對電極組成。多孔TiO2的主要作用是增大比表面積吸附更多的染料以吸收更多的入射光。其中光電轉(zhuǎn)換效率較高的敏化太陽能電池使用的染料是稀有金屬釕合金，雖然有制備易、污染低、且不需要大型無塵設(shè)備等優(yōu)點，但染料成本較高。所以尋找較為合適的吸

5、光染料就成了突破瓶頸的焦點。Miyasaka 等人于2006 年和2008 年報道了他們用鈣鈦礦材料CH3NH3PbI3和CH3NH3PbBr3作染料的敏化太陽能電池,雖然效率不高，但經(jīng)過一系列的技術(shù)和傳輸層材料的改進，鈣鈦礦太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率一步步提高，超過其他種類的太陽能電池，已然是太陽能電池技術(shù)的明日之星。然而用傳統(tǒng)的敏化太陽能電池技術(shù)制備的液態(tài)電解質(zhì)的鈣鈦礦太陽電池存在一個致命的缺陷,即液態(tài)電解質(zhì)會溶解或者分解鈣鈦礦材料,以至于電池在幾分鐘內(nèi)失效。解決辦法之一就是像Miyasaka課題組2008 年文獻報道中的那樣采用固態(tài)電解質(zhì)作空穴傳輸層，因此鈣鈦礦太陽能電池的本質(zhì)是固態(tài)敏化太陽能

6、電池，也確定了鈣鈦礦太陽能電池的初雛形。3鈣鈦礦太陽能電池的結(jié)構(gòu)及其原理鈣鈦礦太陽能電池本質(zhì)上是一種固態(tài)染料敏化太陽能電池。它具有類似于非晶硅薄膜太陽能電池的P-I-N結(jié)構(gòu)。鈣鈦礦材料作為光吸收層(I本征層)夾在電子傳輸層TiO2(N型)和空穴傳輸層HTM(P型)之間。目前光電轉(zhuǎn)化效率較高且穩(wěn)定的的結(jié)構(gòu)如下圖3。 圖3 鈣鈦礦太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖其中，致密TiO2作為阻擋層，有效提高電子空穴分離效率，多孔TiO2作為吸附材料和電子傳輸層，而空穴傳輸層為Spiro-OMeTAD，電極分別是FTO和銀電極。選材的依據(jù)中有一個先決條件，那就是各層材料的能級圖，只有能級搭配合理，才能有效傳輸電子和空穴

7、而不至于電子空穴在內(nèi)部就復(fù)合掉了。其光伏發(fā)電的能級圖及電子空穴對產(chǎn)生、輸運過程見圖4。圖4 鈣鈦礦太陽能電池材料能級圖鈣鈦礦CH3NH3PbI3的禁帶寬度為1.5 eV。當(dāng)能量大于其禁帶寬度的入射光照射鈣鈦礦材料時,激發(fā)出電子空穴對,電子空穴對在鈣鈦礦中傳輸,到達TiO2/鈣鈦礦和鈣鈦礦/HTM之間的界面時發(fā)生電子空穴分離,電子進入TiO2 ,空穴進入HTM,最后到達各自的電極(電子到達FTO 陽極,空穴到達金或銀陰極)。4鈣鈦礦太陽能電池的制備目前鈣鈦礦太陽能電池較為成熟的制備工藝大致如下:覆蓋透明導(dǎo)電玻璃FTO(Fluorine-doped tin oxide)層的襯底作陽極,在其上旋涂一

8、層TiO2 ,然后500550退火得到多孔TiO2 薄膜;接著用旋涂法或者氣相沉積法沉積一層厚度約300 nm 的CH3NH3PbIxCl3-X 鈣鈦礦;然后再用旋涂法沉積一層Spiro-OMeTAD 作為空穴傳輸層;最后用熱蒸發(fā)法沉積一層銀或者金作為陰極。在此基礎(chǔ)上，本課題組目前具體的鈣鈦礦太陽能電池的制備方法如下。1、 FTO導(dǎo)電玻璃的刻蝕清洗：取一組規(guī)格為1.5*1.5cm的FTO導(dǎo)電玻璃，通過M3防水膠帶保護其2/3的部分，用Zn粉和1mol/L的鹽酸刻蝕掉1/3的FTO；用丙酮、異丙醇依次清洗腐蝕后的FTO導(dǎo)電玻璃片子數(shù)次，最后浸入去離子水中超聲10min。2、 致密層TiO2的制備

9、：FTO導(dǎo)電玻璃片子在鼓風(fēng)干燥箱中干燥后，在手套箱中（氮氣氛圍）以4000rpm-6500rpm旋涂TiO2前驅(qū)體溶液，之后立刻拿出手套箱在熱臺上以450加熱40min（先12020min后升溫到450恒溫40min)，再退火至120時，放回培養(yǎng)皿，放回手套箱。（TiO2前驅(qū)體溶液配方：369uL的鈦酸異丙酯TTIP溶于2.53mL的異丙醇，再逐滴加入35uL的2mol/L的鹽酸。）3、 鈣鈦礦層的制備：旋完TiO2后的片子繼續(xù)以3000rpm-4500rpm旋涂鈣鈦礦層,之后隨即在手套箱熱臺110下加熱30min，退火到室溫。（鈣層前驅(qū)體溶液配方：PbCl2：碘化甲基胺MAI=1.1:3，4

10、、 空穴傳輸層的制備及氧化：旋完鈣層的片子，在手套箱中以4000rpm- 6500rpm繼續(xù)旋涂Spiro層，之后在手套箱中放置8h左右固化，拿出手套箱，放進低濕度干燥塔中氧化12h。Spiro前驅(qū)體配方：144.6mgSpiro+115.2uLTBP+35uLLi-TFSI+2mL氯苯5、 蒸鍍電極：將氧化完的片子放入蒸鍍機，依次蒸鍍8nm MoO3和100nmAg； 然后待檢測的成品鈣鈦礦太陽能電池片子如下圖5所示： （a） （b）圖5 鈣鈦礦太陽能電池的正（a）反（b）面5 鈣鈦礦電池的伏安曲線和分析太陽能電池的基本技術(shù)參數(shù)除短路電流ISC和開路電壓UOC外, 還有最大輸出功率Pmax和

11、填充因子FF。最大輸出功率Pmax也就是IU的最大值。填充因子FF定義為FF是代表太陽能電池性能優(yōu)劣的一個重要參數(shù)。FF值越大,說明太陽能電池對光的利用率越高。在AM1.5G模擬太陽光照95.6mWcm-2下測量太陽能電池的輸出I對太陽能電池的輸出電壓U的關(guān)系，進一步處理得到J-V曲線圖。 圖6 光伏電池J-V曲線表1 光伏電池特性描述開路電壓Voc短路電流Jsc有效因子FF效率PCE0.95V14.35mA/cm20.719.76%上述鈣鈦礦特性描述中，有開路電壓、短路電流和有效因子都較為理想，但光電轉(zhuǎn)化效率偏低，與目前業(yè)界領(lǐng)先水平尚有差距，這與實驗中的制備過程的不確定性有很大關(guān)系，今后的制

12、備過程中要檢測每一工序后的形貌，以確定最佳工藝方案。6鈣鈦礦太陽能電池市場化的瓶頸鈣鈦礦太陽能電池也存在一些缺點,其進入市場應(yīng)用還有很長的路要走。首先,目前實驗室里制造的大部分電池是微小的,僅幾毫米大。相比之下,晶體硅太陽能電池單體片尺寸高達十幾厘米。實驗室很難生產(chǎn)出較大面積的鈣鈦礦連續(xù)薄膜。其次,鈣鈦礦太陽能電池對氧氣非常敏感,會與其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)進而破壞晶體結(jié)構(gòu),并產(chǎn)生水蒸氣,溶解鹽狀的鈣鈦礦。目前最好的鈣鈦礦中的鉛可能會濾出,對屋頂和土壤造成一定的污染。除此之外,目前鈣鈦礦太陽能電池還面臨制造技術(shù)的瓶頸和器件測試方面的問題:空穴傳輸層價格昂貴和能量轉(zhuǎn)換效率測試時的回滯現(xiàn)象。(1)雖然鈣鈦礦材料相對便宜,但制造鈣鈦礦太陽能電池所用的有機空穴傳輸層Spi