TiO2:Eu3+增效層對鈣鈦礦太陽能電池光電性能的影響

黨威武

(陜西國防工業職業技術學院智能制造學院，陜西 西安 710300)

硅基半導體電池是第一代太陽能電池，包括單晶硅電池、多晶硅電池等，由于工藝復雜、能耗大、污染環境等缺點使其發展受到一定限制。第二代太陽能電池，即多元化合物薄膜太陽能電池，包括碲化鎘(CdTe)、銅銦硒(CuInSe)等[1-2]，含有重金屬元素，環境不友好且成本較高。第三代太陽能電池是引入了有機物和納米技術的新型薄膜太陽能電池，包括染料敏化太陽能電池、聚合物太陽能電池和鈣鈦礦太陽能電池等[3-5]。鈣鈦礦太陽能電池是從染料敏化太陽能電池衍生出來的一種新型電池，具有制備工藝簡單、材料成本較低、轉換效率較高等優點，但也存在一些亟待解決的問題，如提高穩定性、轉換效率等，因此，開發高效穩定的鈣鈦礦太陽能電池是科研工作者一直努力的方向。

傳輸電子功能層是鈣鈦礦太陽能電池的重要組成部分。二氧化鈦(TiO2)具有化學性質穩定、無毒、價廉、催化性能高等特點，銳鈦礦相TiO2是一種禁帶寬度為3.2 eV的半導體，很適合收集電子。在紫外線輻射下，TiO2構成的介孔結構功能層由于自身的衰退機制，具有很強的光催化降解作用，造成電池轉換效率有所下降。研究表明，一些下轉換材料能夠充分吸收紫外光，被廣泛應用于鈣鈦礦太陽能電池中，以有效保護電池鈣鈦礦層，提高電池穩定性。將三價鑭系離子(Ln3+、Eu3+)摻雜到TiO2中可以起到下轉換的作用，是提高鈣鈦礦太陽能電池穩定性和轉換效率的較好途徑?；诖?，作者通過Eu3+摻雜TiO2制備TiO2:Eu3+增效層，采用XRD、SEM、UV-Vis對TiO2:Eu3+增效層進行表征，并對TiO2:Eu3+鈣鈦礦太陽能電池的光電性能進行分析，以期為鈣鈦礦太陽能電池的發展與應用提供研究基礎。

1 TiO2:Eu3+增效層的制備

在50 mL 0.1 mol·L-1稀硝酸中加入0.347 g氧化銪，混合均勻；強烈攪拌下，將上述溶液緩慢滴入5 mL鈦酸丁酯中，持續攪拌至微黃膠狀、體積縮小50%；加入去離子水，將膠體溶液調至質量分數為5%；轉移至反應釜中，180 ℃保溫12 h；取出，自然冷卻，離心、清洗數次，烘干，即得TiO2:Eu3+增效層，裝瓶備用。

不加氧化銪，同法制備傳統的TiO2層，作為對照。

2 TiO2:Eu3+增效層的表征

2.1 XRD分析(圖1)

圖1 TiO2與TiO2:Eu3+的XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of TiO2 and TiO2:Eu3+

由圖1可以看出，TiO2在2θ為25.1°、37.2°、48.4°、54.6°和62.6°處有較強的衍射峰，比對標準PDF卡片，分別對應于銳鈦礦相TiO2的(101)、(004)、(200)、(211)、(204)晶面，其中(101)晶面的衍射峰強度最強，這說明TiO2主要沿c軸方向生長。TiO2:Eu3+的衍射峰位置與TiO2的幾乎一樣，但在2θ為27.5°處出現了一個小峰，比對標準PDF卡片，沒有得出具體元素；經過大量實驗分析，認為主要是由于Eu3+摻雜量較少，其衍射峰較弱，被TiO2衍射峰所覆蓋，導致XRD表征結果不明顯。

2.2 SEM分析(圖2)

圖2 TiO2與TiO2:Eu3+的SEM照片Fig.2 SEM images of TiO2 and TiO2:Eu3+

研究表明，當TiO2顆粒直徑小且均勻時，TiO2薄膜的空隙較小，TiO2薄膜電池的導電性能相應提高，表現出較好的輸出性能。由圖2可以看出，TiO2與TiO2:Eu3+的顆粒形狀相差不大，這主要是因為，Eu3+半徑與TiO2晶體的非常吻合，使得摻雜后的晶體結構不會有明顯的改變，SEM照片中的大顆?？赡苁怯捎诩{米晶體團聚形成的。TiO2顆粒由許多大小較均勻的顆粒組成；與TiO2比較，TiO2:Eu3+顆粒直徑有所減小，這有助于形成高質量TiO2:Eu3+增效層薄膜。

2.3 UV-Vis分析(圖3)

圖3 TiO2與TiO2:Eu3+的UV-Vis吸收光譜Fig.3 UV-Vis absorption spectra of TiO2 and TiO2:Eu3+

由圖3可以看出，TiO2:Eu3+的吸收主要集中在波長小于405 nm處，由Eg=hc/λ(Eg為帶隙，eV；h為普朗克常數；c為光速；λ為波長)可得TiO2:Eu3+的帶隙為3.06 eV，較標準銳鈦礦相TiO2的帶隙(3.20 eV)小，說明摻雜Eu3+會使TiO2的吸收波長變長，產生更多的電子。此外，對比兩者的UV-Vis吸收光譜發現，TiO2:Eu3+對紫外光的吸收更強烈，說明TiO2:Eu3+在紫外區具有更高的利用率，TiO2:Eu3+在提高電池轉換效率方面更具優勢。

3 TiO2:Eu3+鈣鈦礦太陽能電池的光電性能分析

TiO2和TiO2:Eu3+鈣鈦礦太陽能電池的I-V特性曲線如圖4所示。

圖4 TiO2和TiO2:Eu3+鈣鈦礦太陽能電池的I-V特性曲線Fig.4 I-V characteristic curves of TiO2 and TiO2:Eu3+ perovskite solar cells

由圖4可以看出，TiO2:Eu3+鈣鈦礦太陽能電池表現出較高的短路電流和開路電壓，分別為6.37 mA·cm-2和0.79 V，而TiO2鈣鈦礦太陽能電池的短路電流和開路電壓分別為5.57 mA·cm-2和0.70 V。這是因為，TiO2:Eu3+不僅能有效阻止TiO2降解鈣鈦礦材料，提高電池穩定性，而且能提高太陽光利用率，提升光電轉換效率。具體來說，TiO2吸收光譜主要集中在紫外區(<380 nm)，當太陽光入射到TiO2:Eu3+增效層時，經過紫外光的激發，能量將會轉移到TiO2晶體中所摻雜的Eu3+，使得電子發生躍遷，發光供鈣鈦礦層吸收，當鈣鈦礦層吸收光子以后，可以產生更多的載流子。這樣不但提高了電池穩定性，還提升了電池輸出性能。

4 結論

通過Eu3+摻雜TiO2制備了TiO2:Eu3+增效層，并將其組裝鈣鈦礦太陽能電池。通過電池的光電性能分析發現，TiO2:Eu3+鈣鈦礦太陽能電池表現出較高的短路電流和開路電壓，具有較高的穩定性及光電轉換效率。該研究為鈣鈦礦太陽能電池的發展與應用奠定了良好的基礎。