陽極界面修飾對鈣鈦礦太陽能電池性能的影響

0peitpss薄膜摻雜新能源清潔和廢水開發已成為解決當前能耗問題的重要課題之一。作為一種清潔、無污染的可能源能源，太陽能吸引了許多研究人員的注意。傳統的硅硅能源電池發展相對成熟，但由于其高制造成本，其應用的廣度明顯受限。PEDOT∶PSS是一種高分子聚合物的水溶液,PEDOT是EDOT(3,4-乙撐二氧噻吩單體)的聚合物,PSS是聚苯乙烯磺酸鹽.這兩種物質在一起極大地提高了PEDOT的溶解性,其具有功函數高(5.2eV)、制備成膜質量好、可用于制備彎曲的大面積柔性光電器件等優勢,因此,在有機太陽能電池研究領域,PEDOT∶PSS常被用作器件的陽極界面層材料通常對PEDOT∶PSS薄膜進行摻雜優化多見于傳統的效率較低的有機太陽能電池中,且一般采用直接將修飾材料摻雜到PEDOT∶PSS陽極界面層中的方法,而在高效率的有機無機雜化鈣鈦礦太陽能電池中卻應用較少,本文則在制備高效率的鈣鈦礦太陽能電池器件中,采用在器件的PEDOT∶PSS陽極界面層上直接旋涂高沸點的極性有機溶劑二甲基亞砜(DimethylSulfoxide,DMSO)的方法,研究了經DMSO修飾前后,陽極界面層PEDOT∶PSS薄膜透光性、表面形貌及其電導率的變化,并分析討論了修飾前后鈣鈦礦太陽能電池光電性能的變化趨勢,得出修飾后器件可以獲得更優光電性能的結論,達到了提升器件光電性能的目的.1實驗1.1錫氧化物導電玻璃實驗所使用到的材料均是從生產廠家處直接購買,未做進一步處理.銦錫氧化物(IndiumTinOxides,ITO)導電玻璃(方塊電阻為10Ω,中國深圳南玻集團),PEDOT∶PSS水溶液(CleviosPVP.AI4083),PbI1.2鈣鈦礦前體溶液的制備通過高準確度電子天平準確稱取一定量PbI1.3設備準備過程器件結構∶ITO/PEDOT∶PSS/DMSO(xrpm)/CH1.4薄膜電導率測試實驗中,薄膜厚度利用探針輪廓儀(VeecoDektak150)測出;薄膜透射光譜利用紫外可見分光光度計(Japan,Hitachi,U-3900/3900H)測出;薄膜電導率利用SX1944型數字式四探針測試儀測量,并經計算得出;薄膜表面形貌由原子力顯微鏡(AtomicForceMicroscope,AFM)測得,型號為DP-AFM;在無光照和AM1.5G(太陽能模擬器,型號為Japan,SAN-EI,ELS155(XE))、100mW/cm2結果與討論2.1pefigpss薄膜透光性測試首先對不同修飾條件下PEDOT∶PSS薄膜按A~E順序標記為5組樣品,然后在實驗中通過紫外可見分光光度計分別測量這5組樣品在350~800nm范圍內的透射光譜,測量結果如圖2.可知經DMSO修飾后的PEDOT∶PSS薄膜在350~800nm左右波段透光率強度有所提升,尤其在350~600nm波譜范圍內提升更為明顯.原因可能為PEDOT∶PSS薄膜經過修飾后增大了陽極界面層和鈣鈦礦光吸收層的接觸面積,鈣鈦礦光吸收層和界面層形成了良好的貫穿網絡,促使了PEDOT∶PSS薄膜透光強度的提高,使得更多的光子被鈣鈦礦光吸收層所吸收,進而有利于增加向ITO陽極移動的光生空穴載流子數量.2.2pefigpss薄膜電導率首先利用四探針測量儀對不同修飾條件下PEDOT∶PSS薄膜進行薄膜表面方塊電阻的測定,同時利用臺階儀測出PEDOT∶PSS薄膜的厚度.之后由電導率計算公式σ=1/Rh(R為PEDOT∶PSS薄膜表面方塊電阻;h為PEDOT∶PSS薄膜厚度)分別計算出不同修飾條件下PEDOT∶PSS薄膜的電導率.圖3即為DMSO修飾前后PEDOT∶PSS薄膜電導率的變化趨勢,可知經DMSO修飾后,PEDOT∶PSS薄膜的電導率得到了明顯提高,未修飾前的電導率為0.002S/cm,修飾后薄膜電導率的最大值達到了27.9S/cm,且電導率隨著DMSO旋涂速率的增大呈先升高后降低的趨勢,修飾總體效果較原始PEDOT∶PSS薄膜電導率提高了3個數量級.2.3薄膜表面形貌實驗采用原子力顯微鏡(AFM)在5μm尺度上測量了不同修飾條件下PEDOT∶PSS薄膜的表面形貌圖,并經AFM分析軟件計算出表面形貌粗糙度數值,圖4即為測試的5組樣品的PEDOT∶PSS薄膜表面形貌,其中圖4(a)為原始PEDOT∶PSS薄膜表面形貌,圖4(b)、(c)、(d)、(e)則為經DMSO修飾后的PEDOT∶PSS薄膜表面形貌.由圖4可知,經DMSO修飾后的PEDOT∶PSS薄膜表面形貌較原始的變化較大,表面粗糙度數值隨著DMSO旋涂速率的增大呈先升高后降低的趨勢,且均高于原始PEDOT∶PSS表面粗糙度數值.PEDOT∶PSS薄膜表面粗糙度增加是由于當高沸點極性溶劑DMSO對PEDOT∶PSS修飾后,基片在退火處理過程中,首先蒸發掉水分子,PEDOT∶PSS薄膜表面膠體顆粒將會分布在剩下的高沸點極性溶劑DMSO中,在這個過程中,隨著退火時間的推移,高沸點極性溶劑DMSO逐漸蒸發,PEDOT∶PSS薄膜表面膠體顆粒開始發生團聚,使得薄膜表面粗糙度增加,PEDOT富集區和PSS富集區相分離程度變小,PEDOT∶PSS薄膜表面膠體顆粒明顯變小且薄膜表面將會變得愈加均勻、平整圖4(d)反映了經5000rpm旋涂DMSO修飾陽極界面層PEDOT∶PSS時,薄膜的表面形貌狀況,此時,薄膜有著最高的表面粗糙度數值和電導率,薄膜表面形貌達到了最佳條件.可見當以適當轉速旋涂DMSO修飾陽極界面層PEDOT∶PSS時,既可以顯著增強薄膜電導率,又可以維持薄膜較平整的表面形貌,才能使得PEDOT∶PSS薄膜表面粗糙度較大且薄膜均勻性較好,導電性較強,同時又可以和鈣鈦礦光吸收層形成很好的界面接觸,減少電子空穴對在界面處的復合,有利于在陽極界面層中形成很好的貫穿網絡促進空穴載流子向器件陽極傳輸,降低了界面接觸處的串聯電阻,大幅度地提高了器件的短路電流密度,進而可以有效地提升器件的整體性能.2.4樣品的抗氧化能力實驗過程中,利用QE-ICPE3000儀器對5組樣品的外量子效率進行了測試.取其中比較典型的兩組樣品的外量子效率曲線進行對比,如圖5.兩組樣品分別為原始參比樣品A和經5000rpm旋涂DMSO修飾陽極界面層PEDOT∶PSS的樣品D.從圖中可知,在300~800nm范圍之間,樣品D的外量子效率相對于樣品A而言,有了較為明顯的提高,并且在550nm處樣品D的外量子效率達到了最大值.對比器件的J-V特性曲線,發現它們的升降趨勢一致,闡明了樣品D的短路電流密度相對于樣品A得到了大幅度提高.2.5器件在光照和暗態下的j-v特性器件在暗態下的J-V特性曲線可以表征器件串并聯電阻的變化趨勢,對此本文測試了5組樣品在暗態下的J-V特性曲線,如圖6.每個器件的暗態曲線通常分為正向偏壓和負向偏壓二部分從表1(V3電池器件性能測試隨dmso修飾系統國內系統在器件制備了高效率的鈣鈦礦太陽能電池器件,研究了在器件的PEDOT∶PSS陽極界面層上直接旋涂高沸點極性有機溶劑二甲基亞砜(DMSO)對器件性能的影響.結果表明,經DMSO修飾后,陽極界面層PEDOT∶PSS薄膜透光率有所增