雜化鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性的影響因素的研究

劉洋

（南京郵電大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京　210023）

雜化鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性的影響因素的研究

劉洋

（南京郵電大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210023）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，自然能源被大量的消耗，環(huán)境的問題越來越受到人們的關(guān)注。近年來，人們將更多的注意力集中在了新型能源的開發(fā)。太陽能電池的應(yīng)用為我國提供了大量的電能，解決了我國出現(xiàn)的能源危機(jī)，并且對環(huán)境沒有污染。而雜化鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性卻受到多方面因素的影響，這些因素將直接導(dǎo)致雜化鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性。本文筆者通過分析雜化鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性來對影響雜化鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性的因素進(jìn)行研究。

雜化鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性因素研究

隨著社會的迅速發(fā)展，我國對于能源的需求也與日俱增。而大量的自然能源的利用不僅使得能源出現(xiàn)了枯竭的現(xiàn)象，還在一定程度上對環(huán)境造成了大量的污染，影響了人類賴以生存的條件。因此，人們將工作的重點(diǎn)放在了尋求取之不盡用之不竭的新型能源上。而太陽能電池的利用能夠直接將太陽能轉(zhuǎn)換為電能。這種直接的轉(zhuǎn)換既不會造成環(huán)境的污染，又能夠?yàn)槲覈峁┐罅康碾娔?。為了能夠使太陽能電池有著更好的發(fā)展，我國就應(yīng)該重視雜化鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性，從不同的角度來分析影響雜化鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性的因素。

1　雜化鈣鈦礦太陽能電池的概述

1.1雜化鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展史

目前，世界上的太陽能電池的材料多種多樣。在我國，人們常用的太陽能電池包含有硅太陽能電池、有機(jī)太陽能電池、無機(jī)太陽能電池等多種類型。在這些類型當(dāng)中，硅太陽能電池可以將太陽能轉(zhuǎn)換成百分之三十的電能，但是這種類型的電池的成本比較高，并且沒有很大的發(fā)展空間。近年來，無機(jī)量子點(diǎn)材料由于具有較高的光學(xué)性能被應(yīng)用于太陽能電池中，但是無機(jī)量子點(diǎn)材料卻沒有使太陽能電池有所優(yōu)化。因此，科研人員研發(fā)了雜化鈣鈦礦太陽能電池。這種材料具有較好的吸收率和穩(wěn)定性，能夠從整體上提高太陽能電池的作用。

而雜化鈣鈦礦可以根據(jù)復(fù)合方式分為兩種。一種復(fù)合方式是將無機(jī)材料嵌在有機(jī)材料中，而另一種復(fù)合方式則是將有機(jī)材料嵌在無機(jī)材料的框架中。但是研究證明采用第一種方式的雜化鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換的效率比較低。另外，研究人員將不同的納米無機(jī)材料和常用的有機(jī)材料組成雜化鈣鈦礦，通過實(shí)驗(yàn)來提高雜化鈣鈦礦太陽能電池的性能。但是實(shí)驗(yàn)的結(jié)果并不是很理想。直到2012年，CH3NH3Pb I3的引用提高了雜化鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換率。

1.2雜化鈣鈦礦的研究進(jìn)展

雜化鈣鈦礦太陽能電池的研究有著很大的提高。從2009年到2012年，雜化鈣鈦礦太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率提高了大概百分之十的效率。這使得研究人員將更多的注意力集中在雜化鈣鈦礦太陽能電池的效率上。在雜化鈣鈦礦太陽能電池的研究進(jìn)展中，研究人員對于雜化鈣鈦礦太陽能電池的每一部分進(jìn)行優(yōu)化，研究能夠提高雜化鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性的因素。在研究過程中，研究人員對于太陽能電池的結(jié)構(gòu)和組成部分的優(yōu)化為雜化鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性做出了巨大的貢獻(xiàn)。

另外，雜化鈣鈦礦太陽能電池的制備技術(shù)和材料的改進(jìn)也加強(qiáng)了雜化鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性。研究人員在雜化鈣鈦礦太陽能電池制備的基礎(chǔ)上，通過對于環(huán)境條件、電子傳輸層、光吸收層和空穴傳輸層等的分析，研究了影響雜化鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性的因素，提高了雜化鈣鈦礦太陽能電池的性能，促進(jìn)了雜化鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換率。

1.3雜化鈣鈦礦太陽能電池的結(jié)構(gòu)和原理

雜化鈣鈦礦太陽能電池的結(jié)構(gòu)主要包括有光陽極、電子傳輸層、光吸收層、空穴傳輸層和光陰極等五個部分。其中光陽極主要應(yīng)用的透明導(dǎo)電玻璃包括有ITO和FTO，電子傳輸層的材料主要應(yīng)用的是TiO2和ZnO。光吸收層主要包含的是雜化鈣鈦礦的材料。而光陰極主要的材質(zhì)是一些比較貴重的金屬。光吸收層的吸收光子的能量大于電子供體和電子電子受體的能隙時，電子就會形成一個激子。激子能夠分離成自由電子和空穴，形成短路電流。

1.4雜化鈣鈦礦的晶體結(jié)構(gòu)

雜化鈣鈦礦是由無機(jī)和有機(jī)材料通過交替的堆積來形成的。無機(jī)層中加入有機(jī)層能夠減小有機(jī)層對無機(jī)層的屏蔽作用。這樣能夠提高雜化鈣鈦礦的激子結(jié)合能，這就是所謂的介電約束效應(yīng)。雜化鈣鈦礦在介電約束效應(yīng)和量子約束效應(yīng)下有著非常強(qiáng)大的光電性能。無機(jī)材料和有機(jī)材料的調(diào)控可以通過這些光電性能來完成。因此，雜化鈣鈦礦的這些光電性能使得雜化鈣鈦礦具有很大的發(fā)展前景，提高了雜化鈣鈦礦太陽能電池在商業(yè)中的應(yīng)用。

2　雜化鈣鈦礦的穩(wěn)定性

2.1雜化鈣鈦礦的熱穩(wěn)定性

由于雜化鈣鈦礦有著和CaTiO3一樣的晶體結(jié)構(gòu)。以CaTiO3為例，Ca為有機(jī)陽離子，而Ti為金屬離子。Ti和O能夠形成一個正八面體的結(jié)構(gòu)，Ca分布于正八面體中。這種晶體結(jié)構(gòu)使得雜化鈣鈦礦具有一定的穩(wěn)定性。因此，溫度也直接影響著雜化鈣鈦礦的穩(wěn)定性。有機(jī)陽離子不同會直接影響雜化鈣鈦礦的熱穩(wěn)定性。太陽能電池的工作溫度超過了六十?dāng)z氏度以上，因此，雜化鈣鈦礦的類型的選擇將直接影響雜化鈣鈦礦的熱穩(wěn)定性。

2.2雜化鈣鈦礦的濕度穩(wěn)定性

改變雜化鈣鈦礦中的有機(jī)陽離子能夠改變雜化鈣鈦礦的熱穩(wěn)定性，而改變雜化鈣鈦礦中的鹵素原子能夠改變雜化鈣鈦礦的濕度。研究人員通過對雜化鈣鈦礦中的鹵素原子的改變，使得雜化鈣鈦礦中有機(jī)和無機(jī)層的堆積更加的緊密。雜化鈣鈦礦的濕度穩(wěn)定性也相對的發(fā)生了改變。因此，在不影響電池效率的情況下，雜化鈣鈦礦的有機(jī)和無機(jī)層的不同的組合能夠有效的提高雜化鈣鈦礦的熱穩(wěn)定性和濕度穩(wěn)定性。

3　影響雜化鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性的因素

3.1環(huán)境條件的影響

3.1.1水氧等氣氛條件

雜化鈣鈦礦在水氧環(huán)境下是不能夠進(jìn)行逆分解的。因此水氧環(huán)境將直接影響雜化鈣鈦礦太陽能電池的制備過程。在雜化鈣鈦礦的水溶液中，雜化鈣鈦礦在氧氣的作用下生成了固體和水，使得雜化鈣鈦礦進(jìn)行了分解。另外，雜化鈣鈦礦在水氧條件下是非常的敏感的。這將直接影響著雜化鈣鈦礦太陽能電池的效率。因此，雜化鈣鈦礦太陽能電池的制備需要在手套箱中來進(jìn)行操作。然而，制備后的器件在空氣中也會造成雜化鈣鈦礦的分解。

3.1.2受熱或者變溫條件的影響

溫度也能夠影響雜化鈣鈦礦太陽能電池的熱穩(wěn)定性。雜化鈣鈦礦太陽能的熱穩(wěn)定性不僅值得是受熱分解下的穩(wěn)定性，還指的是雜化鈣鈦礦的晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變等。如果雜化鈣鈦礦太陽能電池中含有空穴傳輸層，那么溫度將直接影響雜化鈣鈦礦太陽能電池的化學(xué)穩(wěn)定性。另外，雜化鈣鈦礦的晶體結(jié)構(gòu)會隨著溫度的受熱或者變溫條件的影響而發(fā)生改變，并直接影響著雜化鈣鈦礦的穩(wěn)定性。

3.1.3濕法制備條件的影響

雜化鈣鈦礦太陽能電池的最主要的特點(diǎn)是能夠進(jìn)行濕法制備。但是濕法制備在很多方面都能夠影響到雜化鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性。濕法制備中的添加劑、溶劑和溶質(zhì)等都會對雜化鈣鈦礦太陽能電池造成很大的影響。從總體上說，各種添加劑以及殘留的溶劑能夠直接分解雜化鈣鈦礦材料，降低了雜化鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性。

3.1.4紫外光照的影響

雜化鈣鈦礦太陽能電池中的氧化鈦致密層使得紫外光照直接影響著雜化鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性。而雜化鈣鈦礦中的金屬離子在受到紫外光照之后，提高了雜化鈣鈦礦的電子能力，使其具有較強(qiáng)的氧化性。這導(dǎo)致了雜化鈣鈦礦將得到大量的吸附物質(zhì)中的電子。雜化鈣鈦礦在紫外光照的條件下被完全的分解，降低了雜化鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性。

3.2電子傳輸層

傳統(tǒng)的雜化鈣鈦礦太陽能電池中的電子傳輸層能夠促進(jìn)對于光照的吸收，還能提高電子的傳導(dǎo)作用。但是，紫外光照會對雜化鈣鈦礦太陽能電池有著直接的影響。雜化鈣鈦礦太陽能電池在紫外關(guān)照的影響下使的電子不容易擴(kuò)散，無法進(jìn)行自由移動，降低了雜化鈣鈦礦太陽能電池的使用效率。在實(shí)際的應(yīng)用中，研究人員用納米棒的電子傳輸層代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電子傳輸層，較好的提高了電池的穩(wěn)定性。如果雜化鈣鈦礦太陽能電池被放置在空氣中很長一段時間，也不會降低雜化鈣鈦礦太陽能電池的效率。

3.3吸光材料

3.3.1吸光材料的種類

雜化鈣鈦礦中的吸光材料的不同也能夠直接影響雜化鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性。雜化鈣鈦礦太陽能電池中最常用的吸光材料具有很強(qiáng)的電子傳輸能力，提高了雜化鈣鈦礦太陽能電池的效率。吸光材料能夠在制備的過程中沉積在雜化鈣鈦礦的金屬離子上，因此雜化鈣鈦礦太陽能電池的電流和電壓會隨著金屬離子的增強(qiáng)而降低。另外，在吸光材料中加入一些氯元素能夠增強(qiáng)雜化鈣鈦礦太陽能電池的光電性能。而如果改變雜化鈣鈦礦的無機(jī)結(jié)構(gòu)能夠改善雜化鈣鈦礦太陽能電池在濕度環(huán)境中的穩(wěn)定性，提高雜化鈣鈦礦太陽能電池在濕度環(huán)境中的光電轉(zhuǎn)換效率。

3.3.2吸光材料制備的技術(shù)

雜化鈣鈦礦太陽能電池中最主要的部分是吸光材料。吸光材料的膜層以及技術(shù)直接影響著雜化鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換率。吸光材料的技術(shù)主要包含有一步法、兩步法、雙源氣相沉積法等。一步法的技術(shù)比較簡單，但是覆蓋率低，降低了雜化鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換率。兩步法提高了雜化鈣鈦礦太陽能電池的結(jié)晶性能，提高了雜化鈣鈦礦太陽能電池的光電性能。而雙源氣相沉積法使得雜化鈣鈦礦太陽能電池的結(jié)晶的形態(tài)更加的規(guī)則，薄膜質(zhì)量更加的精細(xì)。

4　空穴傳輸層

4.1引入空穴傳輸層

對于雜化鈣鈦礦太陽能電池的引入空穴傳輸層的厚度有著非常更高的要求。適當(dāng)?shù)膶σ肟昭▊鬏攲拥暮穸冗M(jìn)行增加能夠防止雜化鈣鈦礦太陽能電池中的電流的短路。因此，研究人員采用了滲透性較好的引入空穴傳輸材料來提高雜化鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換率。針對引入空穴傳輸材料的成本較高的問題，研究人員研發(fā)了一系列成本較低的小分子引入空穴傳輸層來降低雜化鈣鈦礦太陽能電池的原料成本。

4.2無空穴傳輸層

無空穴傳輸層的成本較低，工藝過程比較的簡單。因此，雜化鈣鈦礦薄膜能夠在吸收光能之后向金屬離子擴(kuò)散，產(chǎn)生的自由電子形成了外電流，實(shí)現(xiàn)了對電極的收集。吸收材料和無空穴傳輸層形成的結(jié)構(gòu)抑制了金屬和半導(dǎo)體間的接觸，提高了雜化鈣鈦礦太陽能電池的光電性能，使得雜化鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率有著很大的改善。雜化鈣鈦礦太陽能電池的微觀異質(zhì)結(jié)構(gòu)的引入使得雜化鈣鈦礦太陽能電池的制備比較復(fù)雜。

5　結(jié)語

綜上所述，隨著我國環(huán)保意識的提高，新型能源被大量應(yīng)用到人們的生活和工作中。雜化鈣鈦礦太陽能電池的應(yīng)用在保護(hù)環(huán)境的前提下為我國提供了大量的電能，解決了我國能源的危機(jī)。雜化鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性主要體現(xiàn)在熱穩(wěn)定性和濕度穩(wěn)定性兩個方面。而雜化鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性主要受環(huán)境條件、電子傳輸層、吸光材料和空穴傳輸層的影響。其中環(huán)境條件中的水氧、受熱或變溫、濕法制備條件和紫外光照等都直接影響著雜化鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性。吸管材料的種類和制備技術(shù)都對雜化鈣鈦礦太陽能電池有著重要的作用。另外，空穴傳輸層中的引入空穴傳輸層和無空穴傳輸層也都能夠影響到雜化鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性。這些因素直接影響著雜化鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性。因此，我國應(yīng)從這些方面入手，從根本上提高雜化鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性。

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