厚度對TiO2基鈣鈦礦太陽能電池性能的影響研究

高培養(yǎng) 王艷香

摘 要：2009年，有機(jī)無機(jī)雜化鈣鈦礦太陽能電池首次被發(fā)現(xiàn)，在10年的時間里，其效率飛速發(fā)展，從最初的3.8%發(fā)展至如今的25.2%。ETLs是PSCs中最為關(guān)鍵的一部分，在PSCs中起到傳輸電子阻擋空穴，減少電子空穴復(fù)合的作用。探究了不同TiO2厚度對TiO2薄膜及器件光電性能的影響。結(jié)果表明：當(dāng)ETLs厚度為50 nm時，器件性能最好，PCE為16.29%，短路電流為20.88 mA/cm2，開路電壓為1.07 V，填充因子為72.97%。

關(guān)鍵詞：鈣鈦礦太陽能電池;電子傳輸層 ;TiO2

1 引言

鈣鈦礦太陽能電池（Perovskite solar cells， PSCs）因其具有優(yōu)異的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)得到了眾多研究者的關(guān)注，光電轉(zhuǎn)換效率（Photoelectric conversion efficiency， PCE）已經(jīng)從研發(fā)之初的3.8%[2]提升到了25.2%[1]。在平面結(jié)構(gòu)PSCs 中，高質(zhì)量的電子傳輸層（Electronic Transport Layers， ETLs）是高光電轉(zhuǎn)換效率的必要條件，ETLs在電子提取和傳輸，以及空穴的阻擋和界面接觸中起到關(guān)鍵作用[3]。通常會選擇一些具有與鈣鈦礦的能級匹配，制備方法多樣化，化學(xué)穩(wěn)定性良好，光透過率高等特性的材料。TiO2具有以上優(yōu)異特性且成本較為低廉，是目前使用最為廣泛的電子傳輸材料，通常采用自旋涂覆或噴霧熱解法制備TiO2前驅(qū)體溶液。

本文以TiAcAc和正丁醇為原料，旋涂工藝制備TiO2薄膜，采用一步法制備鈣鈦礦層。研究了不同厚度的TiO2薄膜對電子傳輸層性能以及電池性能的影響。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 TiO2薄膜的厚度對PSCs的光電性能影響研究

采用一步法制備鈣鈦礦層，研究不同厚度的ETLs對器件性能的影響。

當(dāng)厚度為50 nm時，最佳效率為16.29%，F(xiàn)F達(dá)到了72.97%，JSC為20.88 mA/cm2，開路電壓（Open-circuit Voltage， VOC）為1.07 V，均值效率為16.10%。整體而言，無論是正掃還是反掃，隨著厚度的增加，電池的JSC、VOC、填充因子（Fill Factor， FF）和均值效率均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。圖1（a）是不同厚度的J-V曲線圖，當(dāng)厚度為50 nm時，性能最優(yōu)。圖1（b）是器件的IPCE及積分電流曲線圖，由圖可知，當(dāng)厚度為30 nm、50 nm、70 nm時，其積分電流值分別為，19.80 mA/cm2、20.96 mA/cm2、19.99 mA/cm2，可知J-V曲線中的電流值與積分電流值幾乎一致。并且，從IPCE圖可以看出，厚度為50 nm的TiO2薄膜在450.02 nm處擁有91.88%的單色光光子電子轉(zhuǎn)換效率，而厚度為30 nm的最大值為86.72%，厚度為70 nm的為88.66%。

EIS是在暗態(tài)下施加0 V偏壓，20 mV的微擾電壓進(jìn)行測量。以進(jìn)一步明確界面電子轉(zhuǎn)移的機(jī)制。高頻半圓為傳輸電阻，所測的幾個不同厚度之間的傳輸電阻滿足50 nm>30 nm>70 nm。較好的表面覆蓋率能有效的降低鈣鈦礦層與FTO直接接觸所產(chǎn)生的界面電阻，阻斷由FTO與鈣鈦礦界面直接接觸所引起的分流通路，能夠更有效的進(jìn)行載流子的提取和運(yùn)輸[14]。中頻和低頻是鈣鈦礦層兩側(cè)的界面電荷轉(zhuǎn)移及其內(nèi)部的慢速動力學(xué)過程[15，16]。這些過程響應(yīng)合并。較大的界面陷阱態(tài)導(dǎo)致界面?zhèn)鬏旊娮栎^大，這對電池電荷的載流子提取是不利的，導(dǎo)致電荷提取能力較差。

3 總結(jié)與展望

探究了不同厚度對TiO2薄膜質(zhì)量的影響。通過SEM、AFM、透過率等手段的表征，發(fā)現(xiàn)當(dāng)ETLs的厚度為50 nm和70 nm時，所得薄膜質(zhì)量較好，幾乎沒有孔隙的存在。通過斷面掃描圖可以發(fā)現(xiàn)，旋涂一層、兩層、三層的厚度分別為30 nm、50 nm、70 nm。通過J-V曲線，IPCE圖，EIS等表征手段，證實(shí)當(dāng)旋涂厚度為50 nm時，所制備的電池具有16.29%的最佳PCE，F(xiàn)F為72.97%，JSC為20.88 mA/cm2，VOC為1.07 V。均值效率為16.10%。EIS測試結(jié)果表明，50 nm時，有最小的傳輸電阻和最大的復(fù)合電阻，最小的傳輸電阻更有利于電荷轉(zhuǎn)移，最大的復(fù)合電阻，能夠更有效的抑制電子空穴的復(fù)合。

然而使用TiO2作為ETLs時，其存在較多的固有缺陷。首先，進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，制備成本較高，且限制了其在柔性器件中的應(yīng)用。其次，TiO2較低的電子遷移率，導(dǎo)致ETLs/鈣鈦礦界面電荷積聚，引起滯后和效率降低。同時，TiO2還存在著光不穩(wěn)定性的缺陷，在紫外臭氧處理下，Ti4+會被還原成Ti3+，容易發(fā)生光降解，增加了器件的不穩(wěn)定性和電荷重組。

參考文獻(xiàn)

[1]https：//www.nrel.gov/pv/assets/pdfs/best-research-cell-efficiencies.20190923.pdf （2019）. [M].

[2]KOJIMA A， TESHIMA K， SHIRAI Y， et al. Organometal Halide Perovskites as Visible-Light Sensitizers for Photovoltaic Cells [J]. Journal of the American Chemical Society， 2009， 131（17）： 6050-1.

[3]KE W， FANG G， LIU Q， et al. Low-Temperature Solution-Processed Tin Oxide as an Alternative Electron Transporting Layer for Efficient Perovskite Solar Cells [J]. Journal of the American Chemical Society， 2015， 137（21）： 6730-3.

作者簡介：高培養(yǎng)（1995-），男，漢，安徽亳州，景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)在讀研究生，研究方向：太陽能電池

基金項目：國家科技合作專項（2013DFA51000）; 國家自然基金（51462015）