鈣鈦礦太陽(yáng)電池概述

　　鈣鈦礦太陽(yáng)電池一般采用有機(jī)無(wú)機(jī)混合結(jié)晶材料——如有機(jī)金屬三鹵化物CH3NH3PbX3（X=Cl， Br， I）作為光吸收材料。該材料具有合適的能帶結(jié)構(gòu)，其禁帶寬度為1.5eV，因與太陽(yáng)光譜匹配而具有良好的光吸收性能，很薄的厚度就能夠吸收幾乎全部的可見(jiàn)光并用于光電轉(zhuǎn)換。

　　如圖所示，這是鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的一般結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)，由上到下分別為玻璃、FTO、電子傳輸層（ETM）、鈣鈦礦光敏層、空穴傳輸層（HTM）和金屬電極。其中電子傳輸層常常用TiO2

　　鈣鈦礦電池一個(gè)顯著的特點(diǎn)是IV曲線（伏安曲線）的滯后（I-V hysteresis）（通常叫滯后現(xiàn)象或遲滯現(xiàn)象），一般從反向掃描（開(kāi)路電壓－短路電流）得到的曲線比正向掃描（短路電流－開(kāi)路電壓）看起來(lái)好很多?，F(xiàn)在對(duì)鈣鈦礦的這種現(xiàn)象還沒(méi)有一個(gè)很好的解釋，目前比較合理的解釋是：鈣鈦礦材料具有很強(qiáng)的鐵電性能（ferroelectricity）以及巨大的介電常數(shù)，導(dǎo)致電池的低頻電容很大，比其他任何一種光伏電池都顯著。

　　鈣鈦礦太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)及原理

　　鈣鈦礦太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)

　　如圖1（a）所示的介孔結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽(yáng)電池為：FTO導(dǎo)電玻璃、TiO2致密層、TiO2介孔層、鈣鈦礦層、HTM層、金屬電極。在此基礎(chǔ)上，Snaith等把多孔支架層n型半導(dǎo)體TiO2換成絕緣材料Al2O3，形成如圖1（b）所示的一種介觀超結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)型太陽(yáng)電池更進(jìn)一步地，去掉絕緣的支架層，如圖3（c）所示，制備出具有類似于P-I-N結(jié)構(gòu)平面型異質(zhì)結(jié)電池。

　　鈣鈦礦太陽(yáng)電池的工作原理

　　在光照下，能量大于光吸收層禁帶寬度的光子將被光吸收層中材料吸收，同時(shí)使該層中價(jià)帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶中，并在價(jià)帶中留下空穴；由于光吸收層導(dǎo)帶能級(jí)高于電子傳輸層的導(dǎo)帶能級(jí)時(shí)，光吸收層中導(dǎo)帶電子會(huì)注入到電子傳輸層的導(dǎo)帶中。

　　電子進(jìn)一步運(yùn)輸至陽(yáng)極和外電路，而光吸收層的價(jià)帶能級(jí)低于空穴傳輸層的價(jià)帶能級(jí)時(shí)，光吸收層中的空穴注入到空穴傳輸層；空穴運(yùn)輸?shù)疥帢O和外電路構(gòu)成完整的回路，其中，致密層的主要作用是收集來(lái)自鈣鈦礦吸收層注入的電子，從而導(dǎo)致鈣鈦礦吸收層電子－空穴對(duì)的電荷分離，此外致密層還起到阻擋作用，防止鈣鈦礦與FTO的接觸從而造成電子與FTO的復(fù)合。

　　鈣鈦礦太陽(yáng)能電池制備

　　1、經(jīng)過(guò)詳細(xì)調(diào)研后決定采用介孔結(jié)構(gòu)的平面電池，制作工藝采用溶液法，這類方法應(yīng)用廣泛且操作簡(jiǎn)單，可以在室內(nèi)環(huán)境下制備鈣鈦礦電池。

　　2、因?yàn)橹谱麾}鈦礦電池采用的主流空穴傳輸層材料Spiro-OMeTAD價(jià)格昂貴，所以決定采用價(jià)格較為親民的替代材料，這其中有機(jī)碳材料是一個(gè)方向，本次實(shí)驗(yàn)考慮到實(shí)現(xiàn)性和所需藥品，預(yù)備了兩種方案。

　　方案一

　　酞菁銅作為空穴傳輸層，碳作為陰電極。

　　1、電池結(jié)構(gòu)

　　圖A中是電池的結(jié)構(gòu) FTO/二氧化鈦?zhàn)钃鯇?二氧化鈦介孔層/光吸收層/納米棒酞菁銅/低溫制備炭電極，圖B是各層之間的能階圖

　　2、主要藥品和試劑

　　3、實(shí)驗(yàn)步驟（簡(jiǎn)述）

　　1、FTO玻璃基底首先用鋅粉和鹽酸進(jìn)行刻蝕，刻蝕之后的FTO基底依用表面活性劑清潔，接著依次用丙酮，乙醇，去離子水沖洗，最后在氧等離子體下處理30分鐘以出去表面的有機(jī)物殘留。

　　2、將太酸二異丙酯的異丙醇溶液以2000r.p.m的轉(zhuǎn)速在FTO基底上旋涂60s，緊接著500度燒結(jié)30分鐘后形成大約50nm的二氧化鈦致密層。

　　3、將二氧化鈦漿料的無(wú)水乙醇溶液以2000rpm，60s旋涂在基底上之后500度燒結(jié)30分鐘，接著浸入70度的四氯化鈦水溶液中30分鐘，自然干燥后在500度燒結(jié)30分鐘。

　　4、將甲胺和氫碘酸在0度下混合攪拌2小時(shí)后，在50度下蒸發(fā)1小時(shí)后得到產(chǎn)物，將產(chǎn)物用乙醚沖洗三次之后置于60度真空下干燥24小時(shí)以得到期望產(chǎn)物甲基碘化銨白色晶體粉末。

　　5、將碘化鉛的DMF溶液以2500rpm，30s旋涂在介孔二氧化鈦薄膜上后在100度燒結(jié)15分鐘，冷卻到室溫后將復(fù)合薄膜浸入到甲基碘化銨的異丙醇溶液中60分鐘，之后將鈣鈦礦薄膜用干的異丙醇和氮?dú)鉀_洗，然后在100度下干燥30分鐘。

　　6、將酞菁銅用真空蒸鍍法淀積在基板上，并用刮片技術(shù)淀積碳層，之后在100度下燒結(jié)30分鐘。

　　方案二

　　通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦材料本身可以同時(shí)作為光吸收層和空穴傳輸層，所以此方案采用了低溫制備炭電極的無(wú)空穴傳輸層的鈣鈦礦太陽(yáng)電池，同樣采用了介孔平面結(jié)構(gòu)和溶液法制備。

　　1、電池結(jié)構(gòu)

　　2、主要藥品和試劑

　　3、實(shí)驗(yàn)步驟

　　與方案一基本相似