盧輝東 韓紅靜 劉杰

(青海大學(xué), 新能源光伏產(chǎn)業(yè)研究中心, 西寧 810016)

甲胺鉛碘(CH3NH3PbI3 MAPbI3)和甲脒鉛碘(CH(NH2)2PbI3 FAPbI3)是目前最常用于太陽電池研究的有機(jī)鉛碘鈣鈦礦材料.對(duì)于層狀結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽電池來說, 每層薄膜的光學(xué)性質(zhì)和厚度都影響著電池的光電轉(zhuǎn)換效率.本文利用光學(xué)導(dǎo)納法和嚴(yán)格耦合波分析法計(jì)算了金屬氧化物透明導(dǎo)電薄膜摻錫氧化銦(In2O3:Sn)、摻氟氧化錫(SnO2:F), TiO2, MAPbI3和FAPbI3的吸收率和透射率, 分析了各層厚度以及器件結(jié)構(gòu)對(duì)電池短路電流密度的影響.結(jié)果表明: 對(duì)于FTO(ITO)/TiO2/MAPbI3結(jié)構(gòu), FTO薄膜的厚度在50-450 nm, ITO厚度在10-150 nm時(shí)對(duì)入射光波長(zhǎng)在360-800 nm的平均透射率為85%, 對(duì)于FTO(ITO)/TiO2/FAPbI3結(jié)構(gòu), FTO和ITO薄膜的厚度分別在50-250 nm和10-150 nm時(shí)對(duì)入射光波長(zhǎng)在360-840 nm的平均透射率分別為81.6%和78%.在FTO和TiO2最優(yōu)厚度下, MAPbI3和FAPbI3的厚度從300-1000 nm變化時(shí), 對(duì)應(yīng)太陽電池短路電流密度分別在21.9-23.7 mA·cm-2和23.0-24.4 mA·cm-2范圍.本文的研究對(duì)于設(shè)計(jì)和制備高轉(zhuǎn)換效率的鈣鈦礦太陽電池具有指導(dǎo)意義.

1 引 言

鉛鹵鈣鈦礦是指一類具有ABX3晶型的材料,其中A 代表有機(jī)陽離子, 如CH3NH3+(MA+)和B 是Pb2+, X 代表鹵素陰離子, 如Cl-, Br-和I-.鈣鈦礦作為一類直接帶隙半導(dǎo)體材料, 具有簡(jiǎn)易低成本合成和高光學(xué)吸收的優(yōu)點(diǎn)使得它在太陽電池方面潛力巨大.目前常用作太陽電池研究的鈣鈦礦材料是甲胺鉛碘(MAPbI3)和甲脒鉛碘(FAPbI3).MAPbI3鈣鈦礦薄膜一般采用低溫溶液法制備, 但該方法制備的薄膜內(nèi)部存在著大量的晶界, 晶界處容易存在如位錯(cuò)、雜質(zhì)及化學(xué)鍵斷裂形成的空位等缺陷.黃維研究組[1]報(bào)道了利用三價(jià)銠(Rh3+)鈍化鈣鈦礦薄膜晶界缺陷,助力鈣鈦礦薄膜生長(zhǎng), 延長(zhǎng)載流子壽命的研究.Chen等[2]通過有機(jī)n型摻雜劑制備了更偏n型的MAPbI3活性層, 抑制了鈣鈦礦體相及界面處的非輻射復(fù)合, 同時(shí)提高了電子在界面處的抽提效率, 改善了MAPbI3晶體質(zhì)量, 平衡了載流子傳輸.FAPbI3存在光活性的黑色α相和光惰性的黃色δ相, 研究發(fā)現(xiàn)FAPbI3在室溫下會(huì)從α相轉(zhuǎn)變成δ相, 進(jìn)而造成材料降解及電池性能衰減.為了獲得高能量轉(zhuǎn)換效率的鈣鈦礦太陽電池, 制備出高結(jié)晶度、高穩(wěn)定性和高純的α-FAPbI3薄膜至關(guān)重要.目前解決該問題的方法主要是摻雜混合MA,Cs或Br等離子[3-6], 但是在實(shí)際工作條件下會(huì)帶來相分離以及吸收譜藍(lán)移等問題.盧海洲等[7]開發(fā)了硫氰酸甲基銨氣相輔助生長(zhǎng)技術(shù), 能夠在較低退火溫度下(100oC)成功將FAPbI3從δ相完全轉(zhuǎn)化為α相, 并保持長(zhǎng)期穩(wěn)定.得到的FAPbI3鈣鈦礦太陽電池具有大于23%能量轉(zhuǎn)換效率和長(zhǎng)期的運(yùn)行穩(wěn)定性以及低開路電壓損耗和低電致發(fā)光電壓.

入射光在太陽電池各層界面處都存在反射與折射, 光的干涉效應(yīng)對(duì)電池活性層的光吸收影響很大, 因而電池的光吸收效率與鈣鈦礦太陽電池的材料組成、入射波長(zhǎng)、器件厚度及結(jié)構(gòu)等是密不可分的.為了計(jì)算它們之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系并預(yù)測(cè)相關(guān)電學(xué)性能, 常利用解析法和基于傅立葉級(jí)數(shù)的半解析模型求解麥克斯韋方程, 其中解析法包括時(shí)域有限差分法(efinite-difference time-domain FDTD)[8,9]和光學(xué)導(dǎo)納法(optical-admittance method)[10-12], 半解析法包括傳輸矩陣法(transfer-matrix method TMM)[13-15]、平面波展開(plane-wave-expansion PWE)法[16]和嚴(yán)格耦合波分析(rigorous coupledwave analysis RCWA)[17-19]法.目前對(duì)于MAPbI3和FAPbI3鈣鈦礦材料優(yōu)化研究及太陽電池的制備不分伯仲, 但理論上的研究和比較不足.本文基于光學(xué)導(dǎo)納法和RCWA法來計(jì)算太陽電池器件內(nèi)部各層反射率、透射率及吸收率, 分析各層厚度和器件結(jié)構(gòu)對(duì)電池短路電流密度的影響, 為實(shí)驗(yàn)上制備高轉(zhuǎn)換效率的鈣鈦礦太陽電池提供理論依據(jù).

2 計(jì)算方法

光學(xué)導(dǎo)納法和嚴(yán)格耦合波分析法都可以計(jì)算任意多層薄膜的反射、透射和吸收.圖1(a)和圖1(b)分別畫出了光學(xué)導(dǎo)納法和嚴(yán)格耦合波分析法的計(jì)算過程.

圖1 (a)光導(dǎo)納法和(b)嚴(yán)格耦合波分析法的計(jì)算過程圖Fig.1.Calculation procedure of (a) the optical admittance method and (b) rigorous coupled-wave analysis method.

光學(xué)導(dǎo)納法是將任意一個(gè)多界面的薄膜系統(tǒng)等效地看作是一個(gè)具有一定折射率和相位延遲的單層膜, 將入射介質(zhì)(空氣)和等效介質(zhì)(鈣鈦礦太陽電池)之間的界面稱為等效界面.設(shè)第j層薄膜的 復(fù) 折 射 率 用 Nj=nj-iκj表 示, n是 折 射 率,k是消光系數(shù).dj,Yj和 δj和分別表示第j層的厚度、光學(xué)導(dǎo)納和薄膜的相位厚度.在可見光波段Y = N, 薄膜的位相厚度都是第j層和第j + 1層界面的光學(xué)導(dǎo)納為 Yj=Nj/Nj+1,第j – 1層和第j層界面的光學(xué)導(dǎo)納為

第j – 1層和第j層界面的反射率和吸收率公式為

其中Ψj為第j層透射函數(shù):

TMM用于分析光在均勻、有限厚度層中的傳播,PWE本質(zhì)上解決了k空間中的麥克斯韋方程組,RCWA是TMM和PWE的合成, 用于分析光在具有周期圖案的層狀結(jié)構(gòu)中的傳輸.由于實(shí)驗(yàn)制備的鈣鈦礦太陽電池表面存在類似倒金字塔的褶皺,用RCWA法更能準(zhǔn)確地描述光在薄膜界面的反射和薄膜內(nèi)的吸收.RCWA是將太陽電池各層薄膜內(nèi)的入射波按單色平面波展開, 即第j薄層電場(chǎng)和磁場(chǎng)的切向分量可以表示為空間諧波的傅里葉級(jí)數(shù)展開.各衍射級(jí)次歸一化的反射和透射效率為

其中i表示衍射級(jí)數(shù); k0表示入射波的波矢; θ為入射角; 每層的吸收率為

鈣鈦礦太陽電池的短路電流密度可表示為[20]

其中e是元電荷; S(λ)是AM1.5G光譜; EQE為外量子效率, 是關(guān)聯(lián)器件光學(xué)性能和電學(xué)性能主要指標(biāo)之一, 理論計(jì)算公式為EQE = AH(λ), 厚度為Δz的鈣鈦礦層吸收率為A, 載流子的收集效率H(λ) = 1-e-α(ω)·Δz, α(ω)是鈣鈦礦材料對(duì)入射光波頻率為ω的吸收系數(shù).

3 結(jié)果討論

3.1 鈣鈦礦太陽電池的光電特性

鈣鈦礦太陽電池通常采用層狀薄膜如圖2(a)所示, 典型結(jié)構(gòu)包括玻璃基底/透明導(dǎo)電層/電子傳輸層/鈣鈦礦層/空穴傳輸層/金屬導(dǎo)電層, 厚度分別為d1, d2, h, d3和d4.玻璃基底包括Glass和MgF2等, 導(dǎo)電玻璃包括SnO2:F(FTO)和In2O3:Sn(ITO), 電子傳輸材料包括TiO2, SnO2, ZnO,TiO2和非晶SnO2組成的雙層電子傳輸層、富勒烯及其衍生物等[21-24], 鈣鈦礦層包括MAPbI3,FAPbI3, MA和FA混合鈣鈦礦等[25-27], 鈣鈦礦的晶體結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示, 其中鉛原子位于體心立方晶格頂角位置、甲胺(脒)基團(tuán)位于八面體核心、碘原子在八面體頂角.空穴傳輸材料包括PTAA和Spiro-OMeTAD等, 金屬對(duì)電極包括金、銀等.MgF2, FTO, ITO, TiO2, MAPbI3, FAPbI3和Au的復(fù)折射率數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)[28-34].

圖2 (a)鈣鈦礦太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖; (b) MAPbI3和FAPbI3的晶胞Fig.2.(a) Schematic diagram of perovskite solar cell structure; (b) crystal structure of the cubic MAPbI3 and FAPbI3.

從圖3(a)可以看出, 當(dāng)入射光的波長(zhǎng)在300-1000 nm時(shí), 折射率由小到大分別是MgF2, FTO(ITO), TiO2, 恰好形成了折射率漸變, 有助于光進(jìn)入吸收層從而減少反射, 起到了增透膜的作用.MgF2的消光系數(shù)為0, TiO2的消光系數(shù)在波長(zhǎng)大于350 nm之后為0, 在整個(gè)波段ITO的消光系數(shù)高于FTO, 根據(jù)消光系數(shù)和吸收率之間的關(guān)系式α = 4πk/λ, 在300-1000 nm波長(zhǎng)范圍ITO對(duì)光的吸收高于FTO.圖3(b)給出了MAPbI3和FAPbI3在300-900 nm波長(zhǎng)范圍的折射率和消光系數(shù), MAPbI3的折射率在300-500 nm之間從1.5提高至2.2, 在500-900 nm之間折射率在2.2左右.FAPbI3的折射率350-500 nm之間從0.8提高至3.3, 在500-900 nm之間折射率在3.1左右, 在350 nm-750 nm波段內(nèi)FAPbI3的消光系數(shù)平均值比MAPbI3的高1.5倍, 但是FAPbI3與TiO2的折射率匹配度較差, 入射波長(zhǎng)小于430 nm時(shí), FAPbI3的折射率比TiO2的小,入射波長(zhǎng)大于430 nm時(shí), FAPbI3的折射率又比TiO2的大很多, 致使300-900 nm波長(zhǎng)的光從TiO2層進(jìn)入FAPbI3層的界面間反射率較高.對(duì)于FAPbI3作為鈣鈦礦太陽電池吸收層時(shí), 有必要在TiO2與FAPbI3的中間增加一層或多層折射率在2.4-3.0范圍的介質(zhì)薄膜以提高對(duì)光的透射率.相比之下, FTO/TiO2/MAPbI3的折射率匹配度在400-800 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)比FTO/TiO2/FAPbI3更好.當(dāng)該波段光入射到太陽電池上時(shí), 更多的光子會(huì)通過透明導(dǎo)電層和電子傳輸層到達(dá)MAPbI3活性層中.

圖3 (a) MgF2, SnO2:F, In2O3:Sn, TiO2的折射率和消光系數(shù); (b) FAPbI3和MAPbI3的折射率和消光系數(shù)Fig.3.(a) The optical constants of the MgF2, SnO2:F, In2O3:Sn and TiO2 used in the optical simulation; (b) FAPbI3 and MAPbI3 used in the optical simulation.

為了證明本文用光學(xué)導(dǎo)納法和RCWA法來計(jì)算各薄膜的吸收率、外量子效率和太陽電池電學(xué)參數(shù)的正確性, 首先利用(1)式-(7)式與Fujiwara等[29]理論計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比; 其次利用(8)式與Yang等[21]實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比, 文獻(xiàn)中鈣鈦礦太陽電池結(jié)構(gòu)及每層厚度如圖4(a)所示.圖4(b)給出了利用光學(xué)導(dǎo)納法和RCWA法計(jì)算圖4(a)中MAPbI3= 400 nm的吸收率.得出入射波長(zhǎng)在300-900 nm之間的平均吸收率分別為0.765和0.776, 說明兩種算法得到了幾乎一致的吸收率.用RCWA法和理論計(jì)算文獻(xiàn)[29]中光學(xué)導(dǎo)納法計(jì)算的結(jié)果對(duì)比如圖4(c)所示, 其中EQE的誤差為3%, FTO層吸收率在480-800 nm波長(zhǎng)范圍幾乎一致.本文后面的光學(xué)性質(zhì)全部采用RCWA法計(jì)算得到.圖4(d)是FAPbI3和MAPbI3=590 nm時(shí)的吸收率, 可以看出入射波長(zhǎng)在350-800 nm之間MAPbI3的吸收率比FAPbI3的吸收率高, 證明了FTO/TiO2/MAPbI3的折射率匹配度比FTO/TiO2/FAPbI3的高.圖4(e)和圖4(f)分別是和實(shí)驗(yàn)文獻(xiàn)[21]中EQE、積分電流密度Jsc,J-V曲線和P-V曲線的對(duì)比, 入射波長(zhǎng)在400-780 nm之間, FAPbI3= 590 nm實(shí)驗(yàn)測(cè)得的EQE平均值為89.3%, 積分電流密度Jsc為24.6 mA·cm-2,計(jì)算的EQE平均值為85.3%, 積分電流密度Jsc為23.4 mA·cm-2, 相對(duì)誤差分別為4.7%和5%.實(shí)驗(yàn)測(cè)量和理論計(jì)算開路電壓分別為1.06和1.0 V,峰值功率分別為20.1和21.4 mW·cm-2, 相對(duì)誤差均為6.0%.所有對(duì)比參數(shù)的相對(duì)誤差都小于或等于6.0%, 在一個(gè)可接受的范圍.

圖4 (a) 文獻(xiàn)[21, 29]中報(bào)道的由Gass/FTO/TiO2/MAPbI3(FAPbI3)/piro-OMeTAD/Au組成的MAPbI3和FAPbI3太陽電池的光學(xué)模型; (b) 光學(xué)導(dǎo)納法和嚴(yán)格耦合波分析法計(jì)算MAPbI3 = 400 nm的吸收率; (c) MAPbI3太陽電池各層吸收率和外量子效率; (d) FAPbI3和MAPbI3 = 590 nm的吸收率; (e) 外量子效率和對(duì)應(yīng)的積分電流密度; (f) J-V曲線Fig.4.(a) Optical model constructed for a MAPbI3 and FAPbI3 solar cell consisting of Gass/FTO/TiO2/MAPbI3(FAPbI3)/piro-OMeTAD/Au reported in Ref.[21, 29]; (b) calculation absorption coefficient of the optical admittance method and rigorous coupledwave analysis method; (c) calculated A spectra of the component layers and EQE spectrum for theMAPbI3 solar cell; (d) absorption coefficient of FAPbI3 and MAPbI3 = 590 nm; (e) the integrated photocurrents calculated from the overlap integral of the EQE spectra with the AM1.5 G solar emission are also shown; (f) J-V curves.

3.2 MAPbI3鈣鈦礦太陽電池結(jié)構(gòu)優(yōu)化

鈣鈦礦太陽電池各層薄膜的厚度深刻影響著鈣鈦礦對(duì)光的吸收及電池的短路電流, 探究各層薄膜的最優(yōu)厚度及制備過程中可以容忍的誤差范圍顯得格外重要.MAPbI3的禁帶寬度Eg= 1.56 eV[35,36],對(duì)應(yīng)吸收截止光波長(zhǎng)為796 nm.圖5(a)和圖5(b)給出了透射率隨FTO和ITO厚度變化的等高圖.從圖5(a)和圖5(b)可以看出, 隨著FTO和ITO厚度從10-800 nm依次遞增, FTO和ITO的透射率在300-800 nm波長(zhǎng)范圍依次遞減; 當(dāng)FTO的厚度在50-450 nm, ITO厚度在10-150 nm對(duì)波長(zhǎng)在360-800 nm之間的平均透射率為85%;FTO厚度大于450 nm時(shí)透射率在波長(zhǎng)大于500 nm下降嚴(yán)重; ITO的厚度大于200 nm時(shí), 透射率不足80%.這是因?yàn)椴牧系南庀禂?shù)α(ω)一定, 厚度Δz決定了吸收率, FTO和ITO越厚對(duì)光的吸收越多.TiO2層的厚度對(duì)光的吸收率和透射率影響不大, 一是因?yàn)門iO2的消光系數(shù)只有在300-350 nm范圍內(nèi)值不等于0, 只吸收300-350 nm波長(zhǎng)范圍的光波; 二是因?yàn)門iO2的折射率與MAPbI3的折射率逐漸變大, 有利于光透過二者的界面, 所以計(jì)算中TiO2層厚度參考文獻(xiàn)[21]設(shè)定為120 nm.由于鈣鈦礦激子的擴(kuò)散長(zhǎng)度可以達(dá)到1000 nm以上, 討論MAPbI3的厚度從10-1000 nm范圍變化.圖5(c)和圖5(d)分別給出了波長(zhǎng)在300-797 nm范圍變化時(shí), MAPbI3鈣鈦礦太陽電池短路電流密度隨FTO厚度、ITO厚度和MAPbI3厚度變化的等高圖.由圖5(c)可以看出, 當(dāng)FTO厚度等于80 nm時(shí), 不同MAPbI3厚度對(duì)應(yīng)的Jsc都是最大值.這是因?yàn)镕TO的折射率介于玻璃和TiO2之間, 在FTO的上下表面會(huì)產(chǎn)生半波損失.當(dāng)兩個(gè)反射波的波程差為半波長(zhǎng)的整數(shù)倍, 即相位差為π的整數(shù)倍時(shí), 兩個(gè)反射波干涉相消, 反射振幅達(dá)到最小.在正入射情況下, 對(duì)于特定波長(zhǎng)的反射波, 當(dāng)IFO厚度和折射率滿足n = λ/4d時(shí),IFO起到抑制反射波的作用.對(duì)于300-797 nm的入射波, IFO的平均折射率為n = 1.87, IFO厚度等于80 nm時(shí)滿足該公式的入射波長(zhǎng)為600 nm,而600 nm正好處在400-800 nm之間, 稱為中心波長(zhǎng).當(dāng)FTO厚度小于或大于80 nm時(shí)IFO層上下界面反射增加, 相同Jsc對(duì)應(yīng)的MAPbI3厚度變大.由圖5(d)可以看出, 對(duì)于ITO, Jsc大于22 mA·cm-2對(duì)應(yīng)ITO厚度小于120 nm.這是由于ITO在波長(zhǎng)為300-797 nm之間的消光系數(shù)較大, 即厚度越厚對(duì)入射光的吸收越大, 對(duì)應(yīng)太陽電池的Jsc越小.圖5(e)和圖5(f)給出了FTO =80 nm時(shí), MAPbI3厚度從10-1000 nm范圍變化的吸光譜圖和積分電流密度.從圖5(e)可以看出,當(dāng)MAPbI3層的厚度大于100 nm后, 對(duì)短波的吸收幾乎不會(huì)發(fā)生變化.這說明MAPbI3具有良好的弱光效應(yīng), 隨著厚度增大, 增加的吸收主要來自500-800 nm波長(zhǎng)范圍, 當(dāng)MAPbI3的厚度大于600 nm時(shí), 對(duì)入射波長(zhǎng)在300-800 nm之間的吸收幾乎沒有提升.從圖5(f)可以看出, MAPbI3厚度從300-1000 nm之間變化, Jsc從21.9 mA·cm-2提高 至23.7 mA·cm-2.當(dāng)MAPbI3= 600 nm和

1000 nm時(shí), Jsc= 23.4和23.7 mA·cm-2.這說明當(dāng)MAPbI3的厚度從600 nm增加至1000 nm時(shí),Jsc只增加了0.3 mA·cm-2.即隨著MAPbI3厚度的增加, Jsc增加變緩, 最終趨于一恒定值.MAPbI3鈣鈦礦太陽電池中MAPbI3的最佳厚度應(yīng)控制在300-600 nm之間.

3.3 FAPbI3鈣鈦礦太陽電池結(jié)構(gòu)優(yōu)化

FAPbI3的禁帶寬度Eg= 1.48 eV, 對(duì)應(yīng)吸收截止光波長(zhǎng)為840 nm.由于FAPbI3在350-500 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)折射率由0.9增加至3.4, 在500-900 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)折射率在3.2左右, 導(dǎo)致FTO(ITO)與TiO2界面, TiO2與FAPbI3界面的反射嚴(yán)重.圖6(a)和圖6(b)給出了透射率隨FTO和ITO厚度變化的等高圖.從圖6(a)和圖6(b)可以看出, 入射波在360-840 nm之間, FTO厚度在50-250 nm之間的平均透射率為81.6%, ITO厚度在10-150 nm之間的平均透射率為78%.圖6(c)和圖6(d)分別給出入射波在300-840 nm范圍變化時(shí), FAPbI3鈣鈦礦太陽電池短路電流密度隨FTO厚度、ITO厚度和FAPbI3厚度變化的等高圖.由圖6(c)可以看出, 當(dāng)FTO等于120 nm時(shí), 不同F(xiàn)APbI3的厚度對(duì)應(yīng)的Jsc都是最大值.由圖6(d)可以看出, 對(duì)于ITO, Jsc大于22 mA·cm-2對(duì)應(yīng)ITO厚度小于180 nm.圖6(e)和圖6(f)給出了FTO = 120 nm時(shí), FAPbI3厚度從10-1000 nm范圍的吸光譜圖和積分電流密度.從圖6(e)可以看出, 當(dāng)FAPbI3層的厚度大于100 nm后, 同樣對(duì)短波吸收的吸收幾乎不會(huì)發(fā)生變化, 隨著厚度變大, 增加的吸收主要來自長(zhǎng)波段500-800 nm范圍, 當(dāng)FAPbI3的厚度大于600 nm時(shí), 對(duì)入射波長(zhǎng)在300-840 nm之間的吸收幾乎沒有提升.從圖6(f)可以看出, FAPbI3的厚度在300-1000 nm之間變化, Jsc從23.0 mA·cm-2提高至24.4 mA·cm-2.當(dāng)FAPbI3= 600和1000 nm時(shí), Jsc= 24.3和24.4 mA·cm-2, 說明當(dāng)FAPbI3的厚度從600 nm增加至1000 nm時(shí), Jsc只增加了0.1 mA·cm-2.即著FAPbI3厚度的增加, Jsc增加變緩, 最終趨于一恒定值24.4 mA·cm-2.FAPbI3鈣鈦礦太陽電池中FAPbI3的最佳厚度應(yīng)控制在300-600 nm之間.雖然經(jīng)過FTO(ITO)/TiO2到達(dá)活性層FAPbI3的光子數(shù)比MAPbI3的少,但FAPbI3的吸收系數(shù)和吸收截止波長(zhǎng)比MAPbI3高, 鈣鈦礦太陽電池中FAPbI3和MAPbI3厚度相同時(shí), FAPbI3鈣鈦礦太陽電池Jsc要高.

4 結(jié) 論

作為太陽電池常用的導(dǎo)電玻璃FTO和ITO來說, 入射波長(zhǎng)在300-900 nm范圍內(nèi)FTO的消光系數(shù)比ITO的小, 說明對(duì)光的吸收較少.在350-750 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)FAPbI3的平均消光系數(shù)比MAPbI3的高1.5倍, 但FAPbI3的折射率在350-500 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)從0.8提高至3.3, 在500-900 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)折射率在3.1左右, 導(dǎo)致FTO(ITO)/TiO2與FAPbI3的折射率不匹配, 各層界面處對(duì)光的反射嚴(yán)重, 因此為設(shè)計(jì)和制備透明導(dǎo)電薄膜和電子傳輸層材料提出了更高的要求.FTO(ITO)/TiO2與MAPbI3的折射率逐漸增大,有利于光的透射.MAPbI3和FAPbI3的禁帶寬度分別為1.56 eV和1.48 eV, 對(duì)應(yīng)吸收截止光波長(zhǎng)分別為796 nm和840 nm, 說明FAPbI3比MAPbI3吸收的光譜更寬.對(duì)于有機(jī)鉛碘鈣鈦礦太陽電池,為了讓Jsc有最大值, MAPbI3鈣鈦礦太陽電池各層薄膜在制備過程中可以容忍的厚度范圍分別為FTO = (80 ± 50) nm, ITO小于120 nm, MAPbI3=300-600 nm.對(duì)于FAPbI3鈣鈦礦太陽電池,FTO = (120 ± 50) nm, ITO小于180 nm, FAPbI3=300-600 nm.通過本文的研究, 期望對(duì)于設(shè)計(jì)和制備高轉(zhuǎn)換效率的鈣鈦礦太陽電池提供有益參考.