CsPbIxBr3-x鈣鈦礦太陽能電池的制備與性能研究

哈爾濱師范大學 宿芳芳

近年來，在鈣鈦礦太陽能電池方面的研究速度越來越快，電池效率也表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，其認證的電池轉換效率已達到超過23%。由于傳統(tǒng)化石燃料的大量使用，其造成的環(huán)境問題越來越受到人們的重視，所以開發(fā)高效新型綠色能源成了主要的關注焦點。目前，由銫基（Cs+）組成的無機鈣鈦礦太陽能電池受到越來越多的關注，其顯著優(yōu)異的性能也一次次被表征。在本次主要工作中，我們通過實驗探究報告了一種基于CsPbIxBr3-x(x=2或2.25)鈣鈦礦薄膜的全無機鈣鈦礦太陽能電池的性質，通過增加碘（I）的含量探究電池性質，改變了鈣鈦礦薄膜形態(tài)，提高了短路電流，開路電壓，填充因子，產生11.16%的最佳效率。

當今社會，新型綠色能源的利用率依舊相對較低，占總能源消耗比例不到5%，因此開發(fā)新型綠色清潔能源迫在眉睫。太陽能作為我們生活中的重要綠色能源，具有來源廣，可再生等諸多優(yōu)點，我國陸地面積較大，太陽能資源豐富，可以利用面積相對較多，太陽能資源的利用前景十分具有期待性。近年來，鈣鈦礦材料越來越受到關注，一種新興的鈣鈦礦太陽能電池受到科研工作者的追捧。鈣鈦礦太陽能電池作為一種高效能源受到廣泛關注，其在近幾年的研究發(fā)展中光電轉換效率發(fā)展相對較快，最高的可以達到 25%以上，表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢，受到大家的廣泛關注。本次實驗，文章中主要探究了不同CsPbIxBr3-x鈣鈦礦薄膜下的全無機鈣鈦礦太陽能電池的表征與性質，文章中主要敘述了增加碘的含量之后電池的各項表征，探究了碘含量不同后電池性質的一些變化，通過性質改善，我們使電池的短路電流，開路電壓，填充因子都有了明顯的提高，從而達到了 11.16%的較高效率。

圖1 (a)SnO2表面掃描電鏡圖，(b)SnO2/CsPbI2Br的表面掃描電鏡圖，(c)SnO2/CsPbI2.25Br0.75的表面掃描電鏡圖

1 實驗

1.1 電池的組裝

（1）ITO基底：ITO基底放入玻璃清洗劑，去離子水，丙酮，異丙醇中，按先后順序分別用超聲機超聲清洗15 min，之后用鑷子夾住片子用氮氣槍吹干后臭氧處理15 min。

（2）SnO2膠體前體溶液：用購買的SnO2膠體與去離子水以1:4配比制成膠體溶液，隨后將其超聲5 min，溶液以3000 rpm30 s的速度旋涂到ITO玻璃上，然后在150℃的空氣中退火30 min。

（3）兩種鈣鈦礦溶液：均以3000 rpm40 s的速度旋涂到SnO2基底上，后分別在260℃，280℃的溫度下烘烤40 s，之后退火10 min。

（4）PTAA溶液：以氯苯為溶劑，以10 mg/mL配比比例制備制的PTAA溶液，將PTAA溶液的旋涂轉數時間分別為2500rpm40s，旋涂后將片子擦邊漏出ITO電極，之后將片子在熱盤上100℃退火5min。

（5）MoO3和Ag的蒸鍍：通過真空計蒸發(fā)MoO3（～12nm）和Ag（～80 nm）到PTAA上。

（電池的有效面積是4mm2。）

1.2 兩種鈣鈦礦溶液的合成

CsPbI2Br溶液：將摩爾比為0.8：0.5：0.3的CsI，PbI2，PbBr2溶解在混合溶劑中DMF/DMSO（4：1，v/v）手套箱中60℃下磁力攪拌過夜。CsPbI2.25Br0.75溶液：將摩爾比為0.8：0.4：0.4的CsI，PbI2，PbBr2溶解在混合溶劑中DMF/DMSO（4：1，v/v）手套箱中60℃下磁力攪拌過夜。

2 結果與討論

器件整體結構為（ITO/SnO2/CsPbIxBr3-x/PTAA/MoO3/Ag)，通過查閱文獻可知，各材料薄膜之間能級匹配，有利于電荷在垂直器件的的整體傳輸，電池結構與理論基礎相符合。在本次實驗中，傳輸層SnO2薄膜的形貌狀態(tài)用得是掃描電子顯微鏡（SEM）研究表征。

圖2 (a)CsPbI2Br的X射線衍射圖像，(b)CsPbI2.25Br0.75的X射線衍射圖像，(c)CsPbI2Br和CsPbI2.25Br0.7的紫外吸收光譜

圖1所示是電子傳輸層SnO2，SnO2/CsPbI2Br，SnO2/CsPbI2.25Br0.75的表面掃描電鏡圖。通過圖1(a)可以看出電子傳輸層SnO2膠體薄膜晶粒整體分布均勻，薄膜較為平整，有利于減小界面載流子復合，有利于電池垂直結構的構建。通過查閱文獻可知SnO2的導帶與CsPbI2Br和CsPbI2.25Br0.75的導帶匹配都良好，與CsPbI2Br相比CsPbI2.25Br0.75帶隙更窄，能帶與SnO2更為匹配，理論上可以表現(xiàn)出更高的性能。接下來用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察鈣鈦礦薄膜的形貌如圖1(b)，圖1(c)所示，兩種鈣鈦礦薄膜整體較為平整，實驗中通過I含量增加，圖1(c)中CsPbI2.25Br0.75薄膜晶粒整體變大，晶界相對圖1(b)中CsPbI2Br薄膜變少，這都有利于減少載流子復合，更有利于電荷的雙向傳輸。I含量增加后，晶粒增大，晶界減少，不利于電荷發(fā)生復合，有利于電池整體性質的提高。

圖2表征的是X射線衍射測試（XRD）和紫外可見吸收光譜測試，圖2(a)是CsPbI2Br的X射線衍射圖像，(b)是CsPbI2.25Br0.75的X射線衍射圖像，(c)是CsPbI2Br和CsPbI2.25Br0.7的紫外吸收光譜。隨著I含量增加鈣鈦礦薄膜的整體物質結構沒有發(fā)生明顯變化，這點從圖中觀察到，如圖2(a)，圖2(b)所示。但是在提高了I含量的情況下，兩個XRD衍射峰強度有些變化，并且相對變化明顯，這表明鈣鈦礦薄膜上晶粒的大小和薄膜厚度發(fā)生了變化。另外，實驗對兩種鈣鈦礦薄膜進行紫外可見吸收光譜測試，我們對數據進行了歸一化處理，如圖2(c)所示，可以看出，與CsPbI2Br相比，CsPbI2.25Br0.75的吸收邊明顯紅移，這使得電池增加了吸光范圍，有利于電池性質的提高。

圖3 基于不同鈣鈦礦薄膜的電池J-V曲線及參數圖表

圖3所示是對兩種鈣鈦礦薄膜下電池效率的J-V曲線測試。測試電池J-V曲線后，比較兩種碘含量薄膜下電池的各項參數，發(fā)現(xiàn)電池的開路電壓，短路電流，填充因子都有所提高。最高的光電轉化效率達到11.16%，此時短路電流為16.74 mA/cm2，開路電壓提升到1.03V，填充因子為60.95，如圖3所示。綜上所述，發(fā)現(xiàn)電池性能的提升一方面是由于增大了鈣鈦礦薄膜晶粒尺寸，晶界變少，避免了電荷發(fā)生復合，另一方面是由于吸收邊發(fā)生紅移，電池的吸光范圍得到了拓寬，從而獲得了更高的電池效率。

結論：本實驗主要探究了在鈣鈦礦層為CsPbI2Br的基礎上，碘含量增加后鈣鈦礦薄膜形態(tài)的變化和對電池效率的影響。實驗首先用電子顯微鏡掃描了電子傳輸層SnO2的表面形貌，在確保表面平整，有利于電池垂直結構構建的基礎上，旋圖了兩種鈣鈦礦薄膜在SnO2基底上，通過掃描電鏡發(fā)現(xiàn)I含量增加后，增大了鈣鈦礦薄膜晶粒尺寸，減少了晶界，另外又對兩種碘含量的薄膜進行了紫外吸收光譜測試，發(fā)現(xiàn)I含量增加后，器件的吸收邊發(fā)生了明顯的紅移，這表明器件吸收光的范圍增大，這對電池的性能提高有很大的幫助。通過實驗發(fā)現(xiàn)，電池在原CsPbI2Br薄膜下效率為10.85%，通過提高碘的含量，提高了晶粒的大小，晶界明顯變少，吸光范圍得到拓寬，從而提高了電池的短路電流，開路電壓，填充因子，在CsPbI2.25Br0.75薄膜下獲得11.16%的較高效率，為之后無機鈣鈦礦薄膜的選擇奠定了基礎，提供了切實可行的實施方案。