鈣鈦礦太陽電池概述

　　鈣鈦礦太陽電池一般采用有機無機混合結晶材料——如有機金屬三鹵化物CH3NH3PbX3（X=Cl， Br， I）作為光吸收材料。該材料具有合適的能帶結構，其禁帶寬度為1.5eV，因與太陽光譜匹配而具有良好的光吸收性能，很薄的厚度就能夠吸收幾乎全部的可見光并用于光電轉換。

　　如圖所示，這是鈣鈦礦太陽能電池的一般結構結構，由上到下分別為玻璃、FTO、電子傳輸層（ETM）、鈣鈦礦光敏層、空穴傳輸層（HTM）和金屬電極。其中電子傳輸層常常用TiO2

　　鈣鈦礦電池一個顯著的特點是IV曲線（伏安曲線）的滯后（I-V hysteresis）（通常叫滯后現象或遲滯現象），一般從反向掃描（開路電壓－短路電流）得到的曲線比正向掃描（短路電流－開路電壓）看起來好很多。現在對鈣鈦礦的這種現象還沒有一個很好的解釋，目前比較合理的解釋是：鈣鈦礦材料具有很強的鐵電性能（ferroelectricity）以及巨大的介電常數，導致電池的低頻電容很大，比其他任何一種光伏電池都顯著。

　　鈣鈦礦太陽電池的結構及原理

　　鈣鈦礦太陽電池的結構

　　如圖1（a）所示的介孔結構的鈣鈦礦太陽電池為：FTO導電玻璃、TiO2致密層、TiO2介孔層、鈣鈦礦層、HTM層、金屬電極。在此基礎上，Snaith等把多孔支架層n型半導體TiO2換成絕緣材料Al2O3，形成如圖1（b）所示的一種介觀超結構的異質結型太陽電池更進一步地，去掉絕緣的支架層，如圖3（c）所示，制備出具有類似于P-I-N結構平面型異質結電池。

　　鈣鈦礦太陽電池的工作原理

　　在光照下，能量大于光吸收層禁帶寬度的光子將被光吸收層中材料吸收，同時使該層中價帶電子激發到導帶中，并在價帶中留下空穴；由于光吸收層導帶能級高于電子傳輸層的導帶能級時，光吸收層中導帶電子會注入到電子傳輸層的導帶中。

　　電子進一步運輸至陽極和外電路，而光吸收層的價帶能級低于空穴傳輸層的價帶能級時，光吸收層中的空穴注入到空穴傳輸層；空穴運輸到陰極和外電路構成完整的回路，其中，致密層的主要作用是收集來自鈣鈦礦吸收層注入的電子，從而導致鈣鈦礦吸收層電子－空穴對的電荷分離，此外致密層還起到阻擋作用，防止鈣鈦礦與FTO的接觸從而造成電子與FTO的復合。

　　鈣鈦礦太陽能電池制備

　　1、經過詳細調研后決定采用介孔結構的平面電池，制作工藝采用溶液法，這類方法應用廣泛且操作簡單，可以在室內環境下制備鈣鈦礦電池。

　　2、因為制作鈣鈦礦電池采用的主流空穴傳輸層材料Spiro-OMeTAD價格昂貴，所以決定采用價格較為親民的替代材料，這其中有機碳材料是一個方向，本次實驗考慮到實現性和所需藥品，預備了兩種方案。

　　方案一

　　酞菁銅作為空穴傳輸層，碳作為陰電極。

　　1、電池結構

　　圖A中是電池的結構 FTO/二氧化鈦阻擋層/二氧化鈦介孔層/光吸收層/納米棒酞菁銅/低溫制備炭電極，圖B是各層之間的能階圖

　　2、主要藥品和試劑

　　3、實驗步驟（簡述）

　　1、FTO玻璃基底首先用鋅粉和鹽酸進行刻蝕，刻蝕之后的FTO基底依用表面活性劑清潔，接著依次用丙酮，乙醇，去離子水沖洗，最后在氧等離子體下處理30分鐘以出去表面的有機物殘留。

　　2、將太酸二異丙酯的異丙醇溶液以2000r.p.m的轉速在FTO基底上旋涂60s，緊接著500度燒結30分鐘后形成大約50nm的二氧化鈦致密層。

　　3、將二氧化鈦漿料的無水乙醇溶液以2000rpm，60s旋涂在基底上之后500度燒結30分鐘，接著浸入70度的四氯化鈦水溶液中30分鐘，自然干燥后在500度燒結30分鐘。

　　4、將甲胺和氫碘酸在0度下混合攪拌2小時后，在50度下蒸發1小時后得到產物，將產物用乙醚沖洗三次之后置于60度真空下干燥24小時以得到期望產物甲基碘化銨白色晶體粉末。

　　5、將碘化鉛的DMF溶液以2500rpm，30s旋涂在介孔二氧化鈦薄膜上后在100度燒結15分鐘，冷卻到室溫后將復合薄膜浸入到甲基碘化銨的異丙醇溶液中60分鐘，之后將鈣鈦礦薄膜用干的異丙醇和氮氣沖洗，然后在100度下干燥30分鐘。

　　6、將酞菁銅用真空蒸鍍法淀積在基板上，并用刮片技術淀積碳層，之后在100度下燒結30分鐘。

　　方案二

　　通過調研發現鈣鈦礦材料本身可以同時作為光吸收層和空穴傳輸層，所以此方案采用了低溫制備炭電極的無空穴傳輸層的鈣鈦礦太陽電池，同樣采用了介孔平面結構和溶液法制備。

　　1、電池結構

　　2、主要藥品和試劑

　　3、實驗步驟

　　與方案一基本相似