氨水蒸汽熱處理對ZnO基鈣鈦礦太陽能電池性能的影響

于超華 王艷香

摘 要：近幾年，有機無機雜化鈣鈦礦電池（Perovskite solar cell， PSCs）得到很好的發展。因其具有低成本、高效率、工藝簡單等特點。而ZnO電子傳輸層具有高的電子遷移率、高的透光率、合適的能級匹配等優點，成為PSCs中電子傳輸層的主要應用材料。本文采用溶膠-凝膠法制備了ZnO，研究了氨水蒸汽熱處理法修飾ZnO電子傳輸層及對電池性能的影響。結果表明氨水用量為100μL，熱處理的時間為30min時，電池性能最好，其光電轉化效率（Photoelectric Conversion Efficiency，PCE）為10.26%。

關鍵詞：鈣鈦礦太陽能電池;ZnO;電子傳輸層;氨水蒸汽熱處理

1引言

PSCs從2009最初的PCE 3.8%的[1]，到現在的PCE達到25.2%[2]。在PSCs中電子傳輸層起著非常重要的作用：（1）阻擋空穴，傳輸電子，防止電子與空穴發生復合;（2）減少鈣鈦礦層與導電玻璃之間的能級壁壘;（3）避免鈣鈦礦層與導電玻璃直接接觸，從而發生物理化學反應[3]。

本文研究了以溶膠-凝膠法制備ZnO電子傳輸層，通過氨水蒸汽熱處理的方法提高ZnO薄膜的質量，從而提高了電池的光電性能。

2實驗部分

2.1實驗原料

摻氟的氧化錫導電玻璃（FTO）;二水乙酸鋅（Zn（CH3COO）2·2H2O）;乙二醇甲醚（CH3CH2COOCH3）;單乙醇胺（NH2CH2CH2OH）;碘化鉛（PbI2）;碘甲胺（CH3NH3I （MAI））2，2'，7，7'-四[N，N-二（4-甲氧基苯基） 氨基]-9，9'-螺二芴（Spiro-OMeTAD， ）;雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰（Li-TFSI， ）;4-叔丁基吡啶（TBP， C9H13N）;二甲基亞砜（DMSO， C2H6SO）;N， N-二甲基甲酰胺（DMF， C3H7NO， 99.8% ）;氯苯（C6H5Cl）;乙腈（C2H3N）;金（Au）。

2.2實驗步驟

2.2.1 ZnO致密層的制備

將Zn（CH3COO）2·2H2O和NH2CH2CH2OH溶解在CH3CH2COOCH3中濃度為0.6M，攪拌10h，攪拌靜置10h。量取80?LZnO溶膠，采用旋涂工藝制備種子層，轉速為1000r/s 6s，3000r/s 30s。旋涂之后，放在加熱板上溫度為250℃，時間為10min，待冷卻至室溫后，重復旋涂一次。將ZnO薄膜放入FTO導電玻璃培養皿中，移取一定量的氨水滴到培養皿的中心，進行密封，然后放到加熱板上100℃加熱30min，然后冷卻至室溫。最后將FTO導電玻璃放入馬弗爐中煅燒，升溫速度為5℃/min，300℃保溫10min，520℃保溫15min。

3結果與討論

如圖1所示，從圖（a）和（b）中可以看出純ZnO薄膜的晶粒尺寸大小在20nm-30nm之間，薄膜也不夠致密和均勻表面針孔和缺陷較多。從圖（c）和（d）中可以看出經過修飾后形成的NH3-ZnO薄膜晶粒尺寸增大，大約在40nm-50nm之間，并且形成的NH3-ZnO薄膜也比較致密和均勻，表面的針孔和缺陷也減少。

從圖2中可以看出，當氨水的用量為100μL時電池的性能最好，經過修飾的ZnO薄膜表面缺陷減少，減少了電子和空穴的復合幾率，降低了電流的損失，所以Jsc得到了提高。而且經過修飾后的ZnO薄膜晶粒尺寸變大，減少了電子在傳輸過程中的晶界損失，使得在傳輸過程中的電阻減少，從而提高了電池的FF。

4結論

本文研究了氨水蒸汽熱處理的方法對ZnO薄膜及鈣鈦礦太陽能電池性能的影響。當氨水的用量為100μL，熱處理的時間為30min時，可以使ZnO薄膜變得更加致密和均勻，提高了其透光率，并且增大了ZnO薄膜的晶粒尺寸。高質量的ZnO薄膜，減少了電子和空穴的復合幾率，減少了電流損失。因此，氨水熱處理修飾ZnO薄膜可以提高鈣鈦礦太陽能電池的性能。

參考文獻

[1] Kojima A， Teshima K， Shirai Y， Miyasaka T. Organometal halide perovskites as visible-light sensitizers for photovoltaic cells[J]. Journal of the American Chemical Society， 2009，131（17）： 6050-6051.

[2]National Renewable Energy Laboratory （NREL） Best research cell efficiencychart;https：//www.nrel.gov/pv/assets/pdfs/best-research-cell-efficiencies-190416.pdf .

[3] Jeng J， Chiang Y， Lee M， et al. CH3NH3PbI3 Perovskite/Fullerene Planar-Heterojunction Hybrid Solar Cells[J]. Advanced Materials， 2013， 25（27）：3727-3732.