鈣鈦礦太陽能電池的界面修飾

高穎杰

(北侖中學(xué) 寧波 315800)

一、前言

自改革開放以來，經(jīng)濟社會迅速發(fā)展，能源需求逐年遞增，但我國仍然處在以煤、石油為主的煤炭時代。由于能源結(jié)構(gòu)的發(fā)展不平衡，多數(shù)化石燃料依賴進口。除此之外，以化石燃料為主的能源結(jié)構(gòu)會造成環(huán)境負(fù)擔(dān)，拖緩經(jīng)濟的發(fā)展，因此，尋找綠色可持續(xù)能源，改善現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)的任務(wù)刻不容緩。

太陽能作為一種新興能源，具有普遍、環(huán)保、儲量龐大、可再生及發(fā)展前景良好等優(yōu)點，被應(yīng)用于多種領(lǐng)域。其中，太陽能電池使用最為廣泛且話題熱度居高不下。自1980年太陽能電池大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用以來，根據(jù)活性層與作用機理不同，它們主要被分為以下三類：1）晶體硅太陽能電池；2）薄膜太陽能電池；3）新型太陽能電池是基于鈣鈦礦太陽能電池的新概念太陽能電池。[1]

鈣鈦礦是一種化學(xué)成分為CaTiO3的礦物。從狹義上講，鈣鈦礦僅指礦物CaTiO3；廣義上講，鈣鈦礦是指具有ABX3型的化合物。1956年，光電流被人們在鈣鈦礦材料中首次發(fā)現(xiàn)，證明其具有光生伏打效應(yīng)，而到現(xiàn)在電池的光電轉(zhuǎn)化效率最高為23.3%。

依據(jù)鈣鈦礦太陽能電池的結(jié)構(gòu)和作用原理，其主要被分為以下四種結(jié)構(gòu)：1）介孔結(jié)構(gòu)；2）含覆蓋層的介孔結(jié)構(gòu)；3）平面n-i-p結(jié)構(gòu)；4）平面p-i-n結(jié)構(gòu)。[2]

圖1.鈣鈦礦太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖：a.介孔結(jié)構(gòu)；b.含覆蓋層介孔結(jié)構(gòu)；c.p-i-n結(jié)構(gòu)；d.n-i-p結(jié)構(gòu)

鈣鈦礦太陽能電池的主要工作機理：光活性層吸收一定波長的太陽光后夠產(chǎn)生載流子，載流子分離為自由電子與空穴，二者分別向兩極運動并被兩極界面吸收產(chǎn)生光電流。作為2009年鈣鈦礦太陽能電池首次制備后的最有前途的研究方向，其效率增長十分迅速，并且在其發(fā)展的過程中漸漸地顯示出了它的優(yōu)點。

一方面，它的效率提升很快。在短短的幾年內(nèi)，其光電轉(zhuǎn)化效率由3.8%上升到23.3%。另一方面，鈣鈦礦材料又有自己本身的優(yōu)點：(1)光吸收系數(shù)高；(2)禁帶寬度合適；(3)光譜相應(yīng)范圍寬；(4)載流子遷移長度長，超過1微米；(5)激子結(jié)合能低；(6)雙極性，既可以傳輸空穴，又能夠傳輸電子。除此之外，它還具有結(jié)構(gòu)簡單、容易制備等優(yōu)點。

然而，目前鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展遇到了瓶頸。比如電池的壽命仍待提升。本文結(jié)合了鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展及其基本工作原理，回顧界面改性和常用改性方法在鈣鈦礦太陽能電池開發(fā)中的作用。供相關(guān)從業(yè)人員參考。

二、界面修飾

隨著鈣鈦礦太陽能電池研究的逐漸深入，其器件制備工藝逐漸成熟。通過改良器件結(jié)構(gòu)提高其性能指標(biāo)的能力逐漸降低，這一現(xiàn)象要求在器件設(shè)計與制備過程中要更加深入地研究鈣鈦礦材料本身和器件各層界面的電子結(jié)構(gòu)，優(yōu)化得到更好的界面特性，以實現(xiàn)更高指標(biāo)的器件，而界面修飾是實現(xiàn)這一目的的重要手段。

界面修改是通過添加或更改界面的材料和結(jié)構(gòu)來改變設(shè)備性能的手段。具體可以通過優(yōu)化界面性能，調(diào)整界面功函數(shù)，降低界面勢壘，增強界面處的載流子傳輸與提取降低界面處載流子復(fù)合，提高光電轉(zhuǎn)換效率、空氣壽命，抑制滯后效應(yīng)和調(diào)節(jié)鈣鈦礦晶體的生長會影響器件的整體性能。[2]

本文將介紹界面修飾的作用：(1)界面修飾可以提高電池的環(huán)境穩(wěn)定性：鈣鈦礦太陽能電池的一些組分很容易在潮濕、高溫等環(huán)境下分解，從而導(dǎo)致其環(huán)境壽命較短，嚴(yán)重制約了它的商業(yè)化應(yīng)用。通過改變界面的材料與結(jié)構(gòu)，改變界面的親/疏水性，可以有效改善器件的濕度穩(wěn)定性；(2)界面修飾可以抑制電池的滯后效應(yīng)：滯后效應(yīng)意味著在鈣鈦礦太陽能電池中，J-V曲線在正和負(fù)掃描的情況下產(chǎn)生兩種不同的結(jié)果。而這則會影響人們對于電池性能的評估。通過界面修飾則可以降低這一影響，改善滯后性能；(3)界面修飾可以調(diào)節(jié)鈣鈦礦晶體在界面上的生長：鈣鈦礦層是電池的重要組成部分，界面的性質(zhì)影響鈣鈦礦晶體的形成。在浸潤性較好的界面上不容易形成大的晶體。為得到更大的晶粒，則會使用非浸潤性界面，從而得到更高的效率。[3-4]

三、常見界面修飾的方法

通常來說，可以通過許多方法來進行界面的修飾。根據(jù)不同的工藝手段，界面改性主要可分為鈣鈦礦層的界面改性和電子傳輸層的界面改性。通過改變界面材料或改變界面結(jié)構(gòu)，可以將對陰極的界面改性和對陽極的界面改性分為界面改性。通過改變鈣鈦礦太陽能電池的材料類型和組成，可以改變電池的光學(xué)性質(zhì)。調(diào)整電極功函數(shù)，提高載流子選擇性，改善界面性能，調(diào)整光場分布，從而達到提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率和改善環(huán)境穩(wěn)定性的目的。

（一）鈣鈦礦層的界面修飾

鈣鈦礦層的質(zhì)量直接影響太陽能電池的整體性能。為了降低電子和空穴復(fù)合的可能性，可以使用N，N-二甲基甲酰胺和γ-丁內(nèi)酯的混合溶劑溶解CH3NH3PbI3前體。使其光電轉(zhuǎn)化效率提升。此外，通過改變鈣鈦礦層的結(jié)構(gòu)可以改善電池的整體性能。例如，改善鈣鈦礦界面的平坦度和減少膜層的空隙缺陷可以改善電池的載流子遷移率并降低電子和空穴的復(fù)合概率，從而有效地改善電池的性能。

（二）電子傳輸層的界面修飾

由于TiO2經(jīng)常用于制造鈣鈦礦太陽能電池中的電子傳輸層。因此，為了提高電池性能，研究人員已經(jīng)開始研究TiO2的優(yōu)化。人們發(fā)現(xiàn)在TiO2溶液中摻雜少量乙酸鹽，可以提高TiO2的電子遷移率；用羧酸浸泡TiO2可以提高鈣鈦礦太陽能電池的載流子收集能力；在TiO2上改性金屬氧化物鎳氧化物層可以延長電子遷移壽命并提高載流子收集效率。

（三）陰極的界面修飾

為了提高收集電子和改善能級匹配的能力，研究人員經(jīng)常使用陰極緩沖層來修改陰極。如利用原子層沉積技術(shù)在鈣鈦礦層與陰極層之間沉積Al2O3鈍化層，提高了電池的填充因子與短路電流。Yang Yang等人在TiO2電子傳輸層與 ITO之間引入聚乙烯亞胺醚( PEIE)，使得 ITO的功函數(shù)降低，延長電池的壽命并且促進了電子在界面的傳輸。

（四）陽極的界面修飾

為了提高陽極接收空穴的能力，還可以引入陽極緩沖層以改變陽極的界面以改善電池的性能?？蒲泄ぷ髡甙l(fā)現(xiàn)，在TiO2膜與陽極之間引入NiOx薄膜可以促進器件陽極收集空穴的能力。[5]

四、結(jié)束語

太陽能作為未來最具發(fā)展力的新能源之一，因其具有綠色、環(huán)保、可再生、儲量豐富等優(yōu)點，被全世界所關(guān)注。而太陽能電池作為最常見的太陽能利用手段受各國科研工作者青睞，有良好的發(fā)展前景。鈣鈦礦太陽能電池作為一種新型太陽能電池，在材料、結(jié)構(gòu)和發(fā)展方面具有良好的前景和商業(yè)化趨勢。但是，如何進一步提高鈣鈦礦太陽能電池的性能已成為研究人員研究的一個主要問題。

本文結(jié)合鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展、原理、優(yōu)勢，以及目前鈣鈦礦太陽能電池發(fā)展中遇到的瓶頸。結(jié)合鈣鈦礦太陽能電池的基本工作原理，提出了一種有效的界面修改方法，簡要介紹了界面修改的設(shè)計思想和原理，并綜述了目前效果較好的多種界面修飾方法，供相關(guān)科研工作者參考。