雜化鈣鈦礦太陽能電池穩定性的影響因素的研究

劉洋

（南京郵電大學材料科學與工程學院，江蘇南京　210023）

雜化鈣鈦礦太陽能電池穩定性的影響因素的研究

劉洋

（南京郵電大學材料科學與工程學院，江蘇南京210023）

隨著我國經濟的發展，自然能源被大量的消耗，環境的問題越來越受到人們的關注。近年來，人們將更多的注意力集中在了新型能源的開發。太陽能電池的應用為我國提供了大量的電能，解決了我國出現的能源危機，并且對環境沒有污染。而雜化鈣鈦礦太陽能電池的穩定性卻受到多方面因素的影響，這些因素將直接導致雜化鈣鈦礦太陽能電池的穩定性。本文筆者通過分析雜化鈣鈦礦太陽能電池的穩定性來對影響雜化鈣鈦礦太陽能電池穩定性的因素進行研究。

雜化鈣鈦礦太陽能電池穩定性因素研究

隨著社會的迅速發展，我國對于能源的需求也與日俱增。而大量的自然能源的利用不僅使得能源出現了枯竭的現象，還在一定程度上對環境造成了大量的污染，影響了人類賴以生存的條件。因此，人們將工作的重點放在了尋求取之不盡用之不竭的新型能源上。而太陽能電池的利用能夠直接將太陽能轉換為電能。這種直接的轉換既不會造成環境的污染，又能夠為我國提供大量的電能。為了能夠使太陽能電池有著更好的發展，我國就應該重視雜化鈣鈦礦太陽能電池的穩定性，從不同的角度來分析影響雜化鈣鈦礦太陽能電池穩定性的因素。

1　雜化鈣鈦礦太陽能電池的概述

1.1雜化鈣鈦礦太陽能電池的發展史

目前，世界上的太陽能電池的材料多種多樣。在我國，人們常用的太陽能電池包含有硅太陽能電池、有機太陽能電池、無機太陽能電池等多種類型。在這些類型當中，硅太陽能電池可以將太陽能轉換成百分之三十的電能，但是這種類型的電池的成本比較高，并且沒有很大的發展空間。近年來，無機量子點材料由于具有較高的光學性能被應用于太陽能電池中，但是無機量子點材料卻沒有使太陽能電池有所優化。因此，科研人員研發了雜化鈣鈦礦太陽能電池。這種材料具有較好的吸收率和穩定性，能夠從整體上提高太陽能電池的作用。

而雜化鈣鈦礦可以根據復合方式分為兩種。一種復合方式是將無機材料嵌在有機材料中，而另一種復合方式則是將有機材料嵌在無機材料的框架中。但是研究證明采用第一種方式的雜化鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換的效率比較低。另外，研究人員將不同的納米無機材料和常用的有機材料組成雜化鈣鈦礦，通過實驗來提高雜化鈣鈦礦太陽能電池的性能。但是實驗的結果并不是很理想。直到2012年，CH3NH3Pb I3的引用提高了雜化鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換率。

1.2雜化鈣鈦礦的研究進展

雜化鈣鈦礦太陽能電池的研究有著很大的提高。從2009年到2012年，雜化鈣鈦礦太陽能電池的轉換效率提高了大概百分之十的效率。這使得研究人員將更多的注意力集中在雜化鈣鈦礦太陽能電池的效率上。在雜化鈣鈦礦太陽能電池的研究進展中，研究人員對于雜化鈣鈦礦太陽能電池的每一部分進行優化，研究能夠提高雜化鈣鈦礦太陽能電池的穩定性的因素。在研究過程中，研究人員對于太陽能電池的結構和組成部分的優化為雜化鈣鈦礦太陽能電池的穩定性做出了巨大的貢獻。

另外，雜化鈣鈦礦太陽能電池的制備技術和材料的改進也加強了雜化鈣鈦礦太陽能電池的穩定性。研究人員在雜化鈣鈦礦太陽能電池制備的基礎上，通過對于環境條件、電子傳輸層、光吸收層和空穴傳輸層等的分析，研究了影響雜化鈣鈦礦太陽能電池的穩定性的因素，提高了雜化鈣鈦礦太陽能電池的性能，促進了雜化鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換率。

1.3雜化鈣鈦礦太陽能電池的結構和原理

雜化鈣鈦礦太陽能電池的結構主要包括有光陽極、電子傳輸層、光吸收層、空穴傳輸層和光陰極等五個部分。其中光陽極主要應用的透明導電玻璃包括有ITO和FTO，電子傳輸層的材料主要應用的是TiO2和ZnO。光吸收層主要包含的是雜化鈣鈦礦的材料。而光陰極主要的材質是一些比較貴重的金屬。光吸收層的吸收光子的能量大于電子供體和電子電子受體的能隙時，電子就會形成一個激子。激子能夠分離成自由電子和空穴，形成短路電流。

1.4雜化鈣鈦礦的晶體結構

雜化鈣鈦礦是由無機和有機材料通過交替的堆積來形成的。無機層中加入有機層能夠減小有機層對無機層的屏蔽作用。這樣能夠提高雜化鈣鈦礦的激子結合能，這就是所謂的介電約束效應。雜化鈣鈦礦在介電約束效應和量子約束效應下有著非常強大的光電性能。無機材料和有機材料的調控可以通過這些光電性能來完成。因此，雜化鈣鈦礦的這些光電性能使得雜化鈣鈦礦具有很大的發展前景，提高了雜化鈣鈦礦太陽能電池在商業中的應用。

2　雜化鈣鈦礦的穩定性

2.1雜化鈣鈦礦的熱穩定性

由于雜化鈣鈦礦有著和CaTiO3一樣的晶體結構。以CaTiO3為例，Ca為有機陽離子，而Ti為金屬離子。Ti和O能夠形成一個正八面體的結構，Ca分布于正八面體中。這種晶體結構使得雜化鈣鈦礦具有一定的穩定性。因此，溫度也直接影響著雜化鈣鈦礦的穩定性。有機陽離子不同會直接影響雜化鈣鈦礦的熱穩定性。太陽能電池的工作溫度超過了六十攝氏度以上，因此，雜化鈣鈦礦的類型的選擇將直接影響雜化鈣鈦礦的熱穩定性。

2.2雜化鈣鈦礦的濕度穩定性

改變雜化鈣鈦礦中的有機陽離子能夠改變雜化鈣鈦礦的熱穩定性，而改變雜化鈣鈦礦中的鹵素原子能夠改變雜化鈣鈦礦的濕度。研究人員通過對雜化鈣鈦礦中的鹵素原子的改變，使得雜化鈣鈦礦中有機和無機層的堆積更加的緊密。雜化鈣鈦礦的濕度穩定性也相對的發生了改變。因此，在不影響電池效率的情況下，雜化鈣鈦礦的有機和無機層的不同的組合能夠有效的提高雜化鈣鈦礦的熱穩定性和濕度穩定性。

3　影響雜化鈣鈦礦太陽能電池穩定性的因素

3.1環境條件的影響

3.1.1水氧等氣氛條件

雜化鈣鈦礦在水氧環境下是不能夠進行逆分解的。因此水氧環境將直接影響雜化鈣鈦礦太陽能電池的制備過程。在雜化鈣鈦礦的水溶液中，雜化鈣鈦礦在氧氣的作用下生成了固體和水，使得雜化鈣鈦礦進行了分解。另外，雜化鈣鈦礦在水氧條件下是非常的敏感的。這將直接影響著雜化鈣鈦礦太陽能電池的效率。因此，雜化鈣鈦礦太陽能電池的制備需要在手套箱中來進行操作。然而，制備后的器件在空氣中也會造成雜化鈣鈦礦的分解。

3.1.2受熱或者變溫條件的影響

溫度也能夠影響雜化鈣鈦礦太陽能電池的熱穩定性。雜化鈣鈦礦太陽能的熱穩定性不僅值得是受熱分解下的穩定性，還指的是雜化鈣鈦礦的晶體結構的轉變等。如果雜化鈣鈦礦太陽能電池中含有空穴傳輸層，那么溫度將直接影響雜化鈣鈦礦太陽能電池的化學穩定性。另外，雜化鈣鈦礦的晶體結構會隨著溫度的受熱或者變溫條件的影響而發生改變，并直接影響著雜化鈣鈦礦的穩定性。

3.1.3濕法制備條件的影響

雜化鈣鈦礦太陽能電池的最主要的特點是能夠進行濕法制備。但是濕法制備在很多方面都能夠影響到雜化鈣鈦礦太陽能電池的穩定性。濕法制備中的添加劑、溶劑和溶質等都會對雜化鈣鈦礦太陽能電池造成很大的影響。從總體上說，各種添加劑以及殘留的溶劑能夠直接分解雜化鈣鈦礦材料，降低了雜化鈣鈦礦太陽能電池的穩定性。

3.1.4紫外光照的影響

雜化鈣鈦礦太陽能電池中的氧化鈦致密層使得紫外光照直接影響著雜化鈣鈦礦太陽能電池的穩定性。而雜化鈣鈦礦中的金屬離子在受到紫外光照之后，提高了雜化鈣鈦礦的電子能力，使其具有較強的氧化性。這導致了雜化鈣鈦礦將得到大量的吸附物質中的電子。雜化鈣鈦礦在紫外光照的條件下被完全的分解，降低了雜化鈣鈦礦太陽能電池的穩定性。

3.2電子傳輸層

傳統的雜化鈣鈦礦太陽能電池中的電子傳輸層能夠促進對于光照的吸收，還能提高電子的傳導作用。但是，紫外光照會對雜化鈣鈦礦太陽能電池有著直接的影響。雜化鈣鈦礦太陽能電池在紫外關照的影響下使的電子不容易擴散，無法進行自由移動，降低了雜化鈣鈦礦太陽能電池的使用效率。在實際的應用中，研究人員用納米棒的電子傳輸層代替傳統的電子傳輸層，較好的提高了電池的穩定性。如果雜化鈣鈦礦太陽能電池被放置在空氣中很長一段時間，也不會降低雜化鈣鈦礦太陽能電池的效率。

3.3吸光材料

3.3.1吸光材料的種類

雜化鈣鈦礦中的吸光材料的不同也能夠直接影響雜化鈣鈦礦太陽能電池的穩定性。雜化鈣鈦礦太陽能電池中最常用的吸光材料具有很強的電子傳輸能力，提高了雜化鈣鈦礦太陽能電池的效率。吸光材料能夠在制備的過程中沉積在雜化鈣鈦礦的金屬離子上，因此雜化鈣鈦礦太陽能電池的電流和電壓會隨著金屬離子的增強而降低。另外，在吸光材料中加入一些氯元素能夠增強雜化鈣鈦礦太陽能電池的光電性能。而如果改變雜化鈣鈦礦的無機結構能夠改善雜化鈣鈦礦太陽能電池在濕度環境中的穩定性，提高雜化鈣鈦礦太陽能電池在濕度環境中的光電轉換效率。

3.3.2吸光材料制備的技術

雜化鈣鈦礦太陽能電池中最主要的部分是吸光材料。吸光材料的膜層以及技術直接影響著雜化鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換率。吸光材料的技術主要包含有一步法、兩步法、雙源氣相沉積法等。一步法的技術比較簡單，但是覆蓋率低，降低了雜化鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換率。兩步法提高了雜化鈣鈦礦太陽能電池的結晶性能，提高了雜化鈣鈦礦太陽能電池的光電性能。而雙源氣相沉積法使得雜化鈣鈦礦太陽能電池的結晶的形態更加的規則，薄膜質量更加的精細。

4　空穴傳輸層

4.1引入空穴傳輸層

對于雜化鈣鈦礦太陽能電池的引入空穴傳輸層的厚度有著非常更高的要求。適當的對引入空穴傳輸層的厚度進行增加能夠防止雜化鈣鈦礦太陽能電池中的電流的短路。因此，研究人員采用了滲透性較好的引入空穴傳輸材料來提高雜化鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換率。針對引入空穴傳輸材料的成本較高的問題，研究人員研發了一系列成本較低的小分子引入空穴傳輸層來降低雜化鈣鈦礦太陽能電池的原料成本。

4.2無空穴傳輸層

無空穴傳輸層的成本較低，工藝過程比較的簡單。因此，雜化鈣鈦礦薄膜能夠在吸收光能之后向金屬離子擴散，產生的自由電子形成了外電流，實現了對電極的收集。吸收材料和無空穴傳輸層形成的結構抑制了金屬和半導體間的接觸，提高了雜化鈣鈦礦太陽能電池的光電性能，使得雜化鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率有著很大的改善。雜化鈣鈦礦太陽能電池的微觀異質結構的引入使得雜化鈣鈦礦太陽能電池的制備比較復雜。

5　結語

綜上所述，隨著我國環保意識的提高，新型能源被大量應用到人們的生活和工作中。雜化鈣鈦礦太陽能電池的應用在保護環境的前提下為我國提供了大量的電能，解決了我國能源的危機。雜化鈣鈦礦太陽能電池的穩定性主要體現在熱穩定性和濕度穩定性兩個方面。而雜化鈣鈦礦太陽能電池的穩定性主要受環境條件、電子傳輸層、吸光材料和空穴傳輸層的影響。其中環境條件中的水氧、受熱或變溫、濕法制備條件和紫外光照等都直接影響著雜化鈣鈦礦太陽能電池的穩定性。吸管材料的種類和制備技術都對雜化鈣鈦礦太陽能電池有著重要的作用。另外，空穴傳輸層中的引入空穴傳輸層和無空穴傳輸層也都能夠影響到雜化鈣鈦礦太陽能電池的穩定性。這些因素直接影響著雜化鈣鈦礦太陽能電池的穩定性。因此，我國應從這些方面入手，從根本上提高雜化鈣鈦礦太陽能電池的穩定性。

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