在電子傳輸層中摻雜二氧化鈦納米粒子提高反式鈣鈦礦太陽電池的效率

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1、在電子傳輸層中摻雜二氧化鈦納米粒子提高反式鈣鈦礦太陽電池的效率謝小銀劉冠辰徐重陽柳志海吉林化工學院石油化工學院張家港康得新光電材料有限公司柔性事業(yè)部嘉泉大學生物納米研宄院基于CH3NH3PbX3（X=C1,Br,I）材料的鈣鈦礦太陽電池由于其簡單的制作工藝和較高的光電轉(zhuǎn)換效率在近年來吸引了大量的研究。報道了在電子傳輸層（PCBM層）中摻雜二氧化欽納米粒子從而提高反式結構鈣鈦礦太陽電池的性能。通過摻雜二氧化鈦納米粒子，使電子傳輸層的能級和鈣鈦礦層的能級更加匹配，從而改善了電子的傳輸和收集并抑制了正負電荷復合，提高了鈣鈦礦太陽電池的短路電流密度和填充因子。光電轉(zhuǎn)換效率從原來的12.1%提高

2、到了13.5%。結果表明，在PCBM層摻雜二氧化欽納米粒子是一種簡單有效的提高鈣欽礦太陽電池的性能的方法。關鍵詞：二氧化鈦納米粒子;韋丐鈦礦太陽電池;能量轉(zhuǎn)換效率;電子遷移率;研究方向:有機太陽能電池。。研究方向：薄膜太陽能電池。3Nn3PbI3-xClx作為光電轉(zhuǎn)換層。首先將刻蝕好的1T0玻璃分別在去離子水、丙酮和異丙醇中超聲清洗lOmin,并用氮氣槍吹干。接著將洗干凈的IT0玻璃板放在紫外臭氧清洗機中處理15mine隨后將過濾好的PEDOT:PSS(Clevios,PVPAI4083)在5OOOr/min的轉(zhuǎn)速下旋涂到TTO玻璃基底上。接著將旋涂好的玻璃基板在空氣中退火(140°C

3、,15min)以徹底蒸干殘余溶劑。鈣鈦礦溶液是通過混合摩爾比為1:3的PbCl2(西格瑪)和COHJ(碘甲胺，寶萊特)并溶解在DMF(西格瑪)溶劑里面。最終的質(zhì)量分數(shù)是40%。在旋涂之前,配制的溶液在60°C下加熱并攪拌12h。鈣鈦礦和PCBM層的旋涂是在充滿氮氣的手套箱中完成:取150uL的鈣鈦礦溶液滴在旋涂好的PEDOT:PSS膜上，然后在4500r/min的轉(zhuǎn)速下旋涂30s。旋涂完成后，樣木在100°C下加熱120min直到鈣鈦礦膜從黃色完全轉(zhuǎn)換成紅棕色并泛光亮。將PCEiM(寶萊特)溶解在氯苯屮配制成20mg/mL的溶液。然后將PCBM溶液滴加在形成好的鈣鈦礦薄膜上，在1000

4、r/min的轉(zhuǎn)速下旋涂30s并在40°C下加熱10min以蒸干殘余溶劑。隨后將150ML配制好的Ti02NPs溶液(超聲10min分散于異丙醇溶劑，濃度為2mg/mL)滴加在PCBM層上，并在3000r/min的轉(zhuǎn)速下旋涂30s。對于參照組電池則不旋涂TiO2NPs溶液。最后，將旋涂好的樣本置于真空蒸鍍儀中，在小于lXIOTorr.的真空壓力下以0.2?0.3/s的速度蒸鍍0.6run的LiF,隨后以1?2/s的速度鍍100?Ag電極。隨后，用紫外㈥化的環(huán)氧樹脂和玻璃蓋玻片封裝電池，并測試其性能。太陽電池的有效工作面積是0.1cm。對于測量電子遷移率，制作了ITO/PCBM:TiO2N

5、Ps/Ag的單電子(electrononly)傳輸器件，PCBM:Ti02NPs表示旋涂Ti02NPs的PCBM層。1.2測試工作太陽電池的伏安曲線是在1個太陽光光強(1sun,100mW/cm)下測試的，數(shù)據(jù)采集器使用的是keithley2400。單色光光電轉(zhuǎn)換效率(IPCE)的測試平臺是北京卓立漢光solarcellscanlOO。使用掃描電子顯微鏡(SU8020)測量表面和橫斷面形貌時使用的加速電壓為8kV。表面形貌數(shù)據(jù)使用了原子力顯微鏡(AFM,Veeco)來獲取。2結果與討論圖1⑹展示了鈣鈦礦太陽電池中鈣鈦礦層(perovskite)、PCBM、Ti02NPs和銀電極的能級分

6、布。在不使用Ti02NPs吋，電子從鈣鈦礦層激發(fā)并傳輸?shù)絇CBM以后，接著會被銀電極所收集。而PCBM的最低非占據(jù)軌道(LUMO)為-3.80eV,與銀電極的功函(-4.23eV)有0.43eV的距離，能級匹配性不是很高，一定程度上不利于電子的轉(zhuǎn)移和收集［15,16］。而在使用了TiO2NPs以后，由于TiO2NPs的導帶為-4.21eV,使能級匹配性更好，電子在到達銀電極之前有一個過渡，這樣就更加有利于電子的傳輸和收集［15,16］。同時，TiO2NPS的價帶為-7.41eV，比PCBM的最高占據(jù)軌道低1.31eV，這樣就會更加有效地阻擋空穴(正電荷)的傳輸，所以有效地抑制了正負電荷

7、復合。圖1電池器件結構及能級狀態(tài)和電子傳?輸示意圖Fig.1Schematicofthestructure,energylevelalignmentandelectrontransportationintheperovskitesolarcell如圖2(a)所示，鈣鈦礦層完全覆蓋住了PEDOTiPSS層，并沒有明顯可見的小孔。圖2(b)展示了鈣鈦礦層對可見-紅外光波段40(f800nm有很高的吸收率，這為其較高的光電轉(zhuǎn)換效率打下了基礎。鈣欽礦表