陽(yáng)極界面修飾對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池性能的影響

0peitpss薄膜摻雜新能源清潔和廢水開(kāi)發(fā)已成為解決當(dāng)前能耗問(wèn)題的重要課題之一。作為一種清潔、無(wú)污染的可能源能源，太陽(yáng)能吸引了許多研究人員的注意。傳統(tǒng)的硅硅能源電池發(fā)展相對(duì)成熟，但由于其高制造成本，其應(yīng)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(zhì)在一起極大地提高了PEDOT的溶解性,其具有功函數(shù)高(5.2eV)、制備成膜質(zhì)量好、可用于制備彎曲的大面積柔性光電器件等優(yōu)勢(shì),因此,在有機(jī)太陽(yáng)能電池研究領(lǐng)域,PEDOT∶PSS常被用作器件的陽(yáng)極界面層材料通常對(duì)PEDOT∶PSS薄膜進(jìn)行摻雜優(yōu)化多見(jiàn)于傳統(tǒng)的效率較低的有機(jī)太陽(yáng)能電池中,且一般采用直接將修飾材料摻雜到PEDOT∶PSS陽(yáng)極界面層中的方法,而在高效率的有機(jī)無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中卻應(yīng)用較少,本文則在制備高效率的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件中,采用在器件的PEDOT∶PSS陽(yáng)極界面層上直接旋涂高沸點(diǎn)的極性有機(jī)溶劑二甲基亞砜(DimethylSulfoxide,DMSO)的方法,研究了經(jīng)DMSO修飾前后,陽(yáng)極界面層PEDOT∶PSS薄膜透光性、表面形貌及其電導(dǎo)率的變化,并分析討論了修飾前后鈣鈦礦太陽(yáng)能電池光電性能的變化趨勢(shì),得出修飾后器件可以獲得更優(yōu)光電性能的結(jié)論,達(dá)到了提升器件光電性能的目的.1實(shí)驗(yàn)1.1錫氧化物導(dǎo)電玻璃實(shí)驗(yàn)所使用到的材料均是從生產(chǎn)廠家處直接購(gòu)買,未做進(jìn)一步處理.銦錫氧化物(IndiumTinOxides,ITO)導(dǎo)電玻璃(方塊電阻為10Ω,中國(guó)深圳南玻集團(tuán)),PEDOT∶PSS水溶液(CleviosPVP.AI4083),PbI1.2鈣鈦礦前體溶液的制備通過(guò)高準(zhǔn)確度電子天平準(zhǔn)確稱取一定量PbI1.3設(shè)備準(zhǔn)備過(guò)程器件結(jié)構(gòu)∶ITO/PEDOT∶PSS/DMSO(xrpm)/CH1.4薄膜電導(dǎo)率測(cè)試實(shí)驗(yàn)中,薄膜厚度利用探針輪廓儀(VeecoDektak150)測(cè)出;薄膜透射光譜利用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(Japan,Hitachi,U-3900/3900H)測(cè)出;薄膜電導(dǎo)率利用SX1944型數(shù)字式四探針測(cè)試儀測(cè)量,并經(jīng)計(jì)算得出;薄膜表面形貌由原子力顯微鏡(AtomicForceMicroscope,AFM)測(cè)得,型號(hào)為DP-AFM;在無(wú)光照和AM1.5G(太陽(yáng)能模擬器,型號(hào)為Japan,SAN-EI,ELS155(XE))、100mW/cm2結(jié)果與討論2.1pefigpss薄膜透光性測(cè)試首先對(duì)不同修飾條件下PEDOT∶PSS薄膜按A~E順序標(biāo)記為5組樣品,然后在實(shí)驗(yàn)中通過(guò)紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)分別測(cè)量這5組樣品在350~800nm范圍內(nèi)的透射光譜,測(cè)量結(jié)果如圖2.可知經(jīng)DMSO修飾后的PEDOT∶PSS薄膜在350~800nm左右波段透光率強(qiáng)度有所提升,尤其在350~600nm波譜范圍內(nèi)提升更為明顯.原因可能為PEDOT∶PSS薄膜經(jīng)過(guò)修飾后增大了陽(yáng)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(wǎng)絡(luò),促使了PEDOT∶PSS薄膜透光強(qiáng)度的提高,使得更多的光子被鈣鈦礦光吸收層所吸收,進(jìn)而有利于增加向ITO陽(yáng)極移動(dòng)的光生空穴載流子數(shù)量.2.2pefigpss薄膜電導(dǎo)率首先利用四探針測(cè)量?jī)x對(duì)不同修飾條件下PEDOT∶PSS薄膜進(jìn)行薄膜表面方塊電阻的測(cè)定,同時(shí)利用臺(tái)階儀測(cè)出PEDOT∶PSS薄膜的厚度.之后由電導(dǎo)率計(jì)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(jì)算出不同修飾條件下PEDOT∶PSS薄膜的電導(dǎo)率.圖3即為DMSO修飾前后PEDOT∶PSS薄膜電導(dǎo)率的變化趨勢(shì),可知經(jīng)DMSO修飾后,PEDOT∶PSS薄膜的電導(dǎo)率得到了明顯提高,未修飾前的電導(dǎo)率為0.002S/cm,修飾后薄膜電導(dǎo)率的最大值達(dá)到了27.9S/cm,且電導(dǎo)率隨著DMSO旋涂速率的增大呈先升高后降低的趨勢(shì),修飾總體效果較原始PEDOT∶PSS薄膜電導(dǎo)率提高了3個(gè)數(shù)量級(jí).2.3薄膜表面形貌實(shí)驗(yàn)采用原子力顯微鏡(AFM)在5μm尺度上測(cè)量了不同修飾條件下PEDOT∶PSS薄膜的表面形貌圖,并經(jīng)AFM分析軟件計(jì)算出表面形貌粗糙度數(shù)值,圖4即為測(cè)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(jīng)DMSO修飾后的PEDOT∶PSS薄膜表面形貌.由圖4可知,經(jīng)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(shù)值隨著DMSO旋涂速率的增大呈先升高后降低的趨勢(shì),且均高于原始PEDOT∶PSS表面粗糙度數(shù)值.PEDOT∶PSS薄膜表面粗糙度增加是由于當(dāng)高沸點(diǎn)極性溶劑DMSO對(duì)PEDOT∶PSS修飾后,基片在退火處理過(guò)程中,首先蒸發(fā)掉水分子,PEDOT∶PSS薄膜表面膠體顆粒將會(huì)分布在剩下的高沸點(diǎn)極性溶劑DMSO中,在這個(gè)過(guò)程中,隨著退火時(shí)間的推移,高沸點(diǎn)極性溶劑DMSO逐漸蒸發(fā),PEDOT∶PSS薄膜表面膠體顆粒開(kāi)始發(fā)生團(tuán)聚,使得薄膜表面粗糙度增加,PEDOT富集區(qū)和PSS富集區(qū)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(huì)變得愈加均勻、平整圖4(d)反映了經(jīng)5000rpm旋涂DMSO修飾陽(yáng)極界面層PEDOT∶PSS時(shí),薄膜的表面形貌狀況,此時(shí),薄膜有著最高的表面粗糙度數(shù)值和電導(dǎo)率,薄膜表面形貌達(dá)到了最佳條件.可見(jiàn)當(dāng)以適當(dāng)轉(zhuǎn)速旋涂DMSO修飾陽(yáng)極界面層PEDOT∶PSS時(shí),既可以顯著增強(qiáng)薄膜電導(dǎo)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(dǎo)電性較強(qiáng),同時(shí)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(duì)在界面處的復(fù)合,有利于在陽(yáng)極界面層中形成很好的貫穿網(wǎng)絡(luò)促進(jìn)空穴載流子向器件陽(yáng)極傳輸,降低了界面接觸處的串聯(lián)電阻,大幅度地提高了器件的短路電流密度,進(jìn)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(shí)驗(yàn)過(guò)程中,利用QE-ICPE3000儀器對(duì)5組樣品的外量子效率進(jìn)行了測(cè)試.取其中比較典型的兩組樣品的外量子效率曲線進(jìn)行對(duì)比,如圖5.兩組樣品分別為原始參比樣品A和經(jīng)5000rpm旋涂DMSO修飾陽(yáng)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(duì)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(dá)到了最大值.對(duì)比器件的J-V特性曲線,發(fā)現(xiàn)它們的升降趨勢(shì)一致,闡明了樣品D的短路電流密度相對(duì)于樣品A得到了大幅度提高.2.5器件在光照和暗態(tài)下的j-v特性器件在暗態(tài)下的J-V特性曲線可以表征器件串并聯(lián)電阻的變化趨勢(shì),對(duì)此本文測(cè)試了5組樣品在暗態(tài)下的J-V特性曲線,如圖6.每個(gè)器件的暗態(tài)曲線通常分為正向偏壓和負(fù)向偏壓二部分從表1(V3電池器件性能測(cè)試隨dmso修飾系統(tǒng)國(guó)內(nèi)系統(tǒng)在器件制備了高效率的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件,研究了在器件的PEDOT∶PSS陽(yáng)極界面層上直接旋涂高沸點(diǎn)極性有機(jī)溶劑二甲基亞砜(DMSO)對(duì)器件性能的影響.結(jié)果表明,經(jīng)DMSO修飾后,陽(yáng)極界面層PEDOT∶PSS薄膜透光率有所增