厚度對TiO2基鈣鈦礦太陽能電池性能的影響研究

高培養 王艷香

摘 要：2009年，有機無機雜化鈣鈦礦太陽能電池首次被發現，在10年的時間里，其效率飛速發展，從最初的3.8%發展至如今的25.2%。ETLs是PSCs中最為關鍵的一部分，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。結果表明：當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）因其具有優異的光學和電學性質得到了眾多研究者的關注，光電轉換效率（Photoelectric conversion efficiency， PCE）已經從研發之初的3.8%[2]提升到了25.2%[1]。在平面結構PSCs 中，高質量的電子傳輸層（Electronic Transport Layers， ETLs）是高光電轉換效率的必要條件，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，化學穩定性良好，光透過率高等特性的材料。TiO2具有以上優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 實驗結果與分析

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。

當厚度為50 nm時，最佳效率為16.29%，FF達到了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）和均值效率均呈現先增加后降低的趨勢。圖1（a）是不同厚度的J-V曲線圖，當厚度為50 nm時，性能最優。圖1（b）是器件的IPCE及積分電流曲線圖，由圖可知，當厚度為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是在暗態下施加0 V偏壓，20 mV的微擾電壓進行測量。以進一步明確界面電子轉移的機制。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，能夠更有效的進行載流子的提取和運輸[14]。中頻和低頻是鈣鈦礦層兩側的界面電荷轉移及其內部的慢速動力學過程[15，16]。這些過程響應合并。較大的界面陷阱態導致界面傳輸電阻較大，這對電池電荷的載流子提取是不利的，導致電荷提取能力較差。

3 總結與展望

探究了不同厚度對TiO2薄膜質量的影響。通過SEM、AFM、透過率等手段的表征，發現當ETLs的厚度為50 nm和70 nm時，所得薄膜質量較好，幾乎沒有孔隙的存在。通過斷面掃描圖可以發現，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，證實當旋涂厚度為50 nm時，所制備的電池具有16.29%的最佳PCE，FF為72.97%，JSC為20.88 mA/cm2，VOC為1.07 V。均值效率為16.10%。EIS測試結果表明，50 nm時，有最小的傳輸電阻和最大的復合電阻，最小的傳輸電阻更有利于電荷轉移，最大的復合電阻，能夠更有效的抑制電子空穴的復合。

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

參考文獻

[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（1995-），男，漢，安徽亳州，景德鎮陶瓷大學在讀研究生，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）