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鈣鈦礦太陽能電池(perovskite solar cells,PSCs)是以具有典型鈣鈦礦晶型ABX3為吸光層的太陽能電池。鈣鈦礦太陽能電池以其全固態(tài)的結(jié)構(gòu)及較高的光電轉(zhuǎn)化效率受到了人們極大的關(guān)注。電池效率的發(fā)展速度超出了過往所有太陽能電池,有希望成為新一代光伏電池中最有潛力和利用價值的太陽能電池。

鈣鈦礦太陽能電池按照結(jié)構(gòu)劃分能夠分為兩大類:介孔型和平面異質(zhì)結(jié)型,其中介孔和平面型的電池又分別有n-i-p型和p-i-n型。圖1-1是幾種典型的鈣鈦礦太陽能電池結(jié)構(gòu)。圖中(a)n-i-p型介孔鈣鈦礦太陽能電池是最為常見且發(fā)展最快也是世界上目前認(rèn)證性效率最高的鈣鈦礦太陽能電池,有報道的最高效率已經(jīng)達(dá)到了22.1%,經(jīng)過認(rèn)證的效率更是達(dá)到了22.7%。它包含了FTO電極,n型致密層TiO2和介孔層TiO2,鈣鈦礦層,空穴傳輸層,金屬電極。這種電池結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且效率相對其他幾種電池要高,但需要多次高溫煅燒(T>500℃)TiO2,且電池容易產(chǎn)生遲滯效應(yīng)。(b)n-i-p型平面鈣鈦礦太陽能電池。這類電池包含F(xiàn)TO電極,n型致密層(TiO2或SnO2),鈣鈦礦層,空穴傳輸層和金屬電極。與(a)相比這種結(jié)構(gòu)的電池少了介孔層,少了一道煅燒工藝,但是目前最高效率較(a)結(jié)構(gòu)略低一些,是因為這種電池對界面電荷傳輸要求較高。(c)p-i-n型倒置平面鈣鈦礦太陽能電池。由ITO、空穴傳輸材料、鈣鈦礦層、電子傳輸層和金屬電極構(gòu)成。這種電池雖然在最高光電轉(zhuǎn)化效率上較最常見的(a)型略低一些,但是其具有特定的優(yōu)勢:較為簡單的制備工藝,不用高溫煅燒,可適用于柔性基底。但由于使用銀或鋁電極,穩(wěn)定性上仍有待提升。(d)p-i-n型介孔鈣鈦礦太陽能電池,其結(jié)構(gòu)由ITO、空穴層、介孔空穴層、鈣鈦礦、電子傳輸材料和金屬電極。這類電池的優(yōu)勢在于無機(jī)介孔空穴傳輸層最大限度的利用了無機(jī)材料成本較低的優(yōu)點。

圖1-1 幾種常見的鈣鈦礦太陽能電池結(jié)構(gòu)

鈣鈦礦光伏器件制備過程可以細(xì)分為基底清洗、等離子清洗、空穴傳輸層制備、鈣鈦礦層制備、電子傳輸層及阻擋層制備以及電極蒸鍍組成。

鈣鈦礦等離子清洗（ITO/FTO玻璃）

鈣鈦礦太陽能電池組裝的第一步是將清洗干凈的ITO/FTO玻璃進(jìn)行等離子清洗。等離子體清洗是通過施加電場后產(chǎn)生的荷能粒子轟擊材料表面,從而對材料界面進(jìn)行改性的方法。對于高分子材料而言,低溫等離子體的能量選擇至關(guān)重要。合適的等離子體能量可以清洗材料表面的雜質(zhì)原子或分子,一定程度上破壞高分子材料的分子鍵合力以實現(xiàn)表面改性。當(dāng)具備一定能量的惰性氣體等離子體轟擊在高分子材料表面,將產(chǎn)生離子注入和能量交換,會造成低分子量材料的逸出。

等離子清洗可以起到兩方面的作用:一方面等離子體處理可以將ITO玻璃的功函數(shù)由4.3提高到4.8左右。這使得ITO玻璃能夠與空穴傳輸層能級更加匹配,這會有利于電子在電極層和空穴傳輸層之間的傳遞。另一方面等離子清洗能夠有效清除ITO基底表面的油污以及有機(jī)小分子，使得ITO玻璃具有更好潤濕性,溶劑在ITO玻璃上的接觸角會更小,有利空穴傳輸層在ITO上沉積出更為致密的薄膜。

通過等離子清洗,能夠有效改善鈣鈦礦層與ITO/FTO玻璃的接觸情況,降低接觸界面的缺陷,減少電子與空穴復(fù)合提高了ITO/FTO直接提取電子的能力,避免電子在界面處堆積,降低了電子與空穴的復(fù)合,有效改善鈣鈦礦發(fā)光層的成膜質(zhì)量,提高電池性能。