Cr-TiO₂/P3HT异质结太阳能电池的制备及光伏特性研究

【作者】 李燕； 王向谦； 王建； 陈建彪； 王成伟；

【机构】 甘肃省原子分子物理与功能材料重点实验室物理与电子工程学院；

【摘要】 无机半导体-有机聚合物太阳能电池具有材料来源广泛、可设计性强、制备工艺简单、可大面积成膜和柔性加工等优点,是近年来人们关注的热点研究领域之一。二氧化钛（TiO₂）是该类电池最常采用的宽带隙无机半导体材料,但仍需拓宽其可见光谱响应范围与响应能力,进而提高光伏器件的光吸收效率。本文首先采用溶胶-凝胶法,成功制备出了Cr³⁺掺杂TiO₂ （Cr-TiO₂）纳米薄膜。利用SEM、XRD、XPS、紫外-可见分光光度计等表征手段,深入研究了样品的形貌结构、物相、组成以及光学特性。研究发现Cr³⁺掺杂量对薄膜的晶相结构及光吸收特性均有较大影响;基于系列不同掺杂量的Cr-TiO₂纳米薄膜,组装并研究了FTO/Cr-TiO₂/P3HT/Cu异质结聚合物太阳能电池的光电转换特性。结果表明,Cr³⁺掺杂不仅有利于增加电池的短路电流密度和填充因子,而且能够通过掺杂量对电池的开路电压进行大范围调控（0.42至0.99 V）,使电池效率（0.65%）较未掺杂时（0.07%）提高近9倍。这归因于Cr³⁺掺杂不仅能够扩展TiO₂的光吸收范围,而且能够提升TiO₂的费米能级。其次,采用溶胶-凝胶法,利用聚乙二醇2000 （PEG2000）,成功制备了多孔结构的Cr-TiO₂纳米薄膜,并实现了PEG 2000含量对Cr-TiO₂薄膜多孔结构及其光透射特性的有效调制;对基于该多孔Cr-TiO₂纳米薄膜组装的FTO/Cr-TiO₂/P3HT/Cu异质结光伏特性的研究结果表明,随PEG 2000含量的增加,Cr-TiO₂薄膜微孔孔径及分布密度的增大,该结构使得FTO/Cr-TiO₂/P3HT/Cu异质结光伏器件的短路电流密度从2.03提高到了3.09 mA cm^-2,其光电转换效率也从0.68%增加到了0.86%。更多还原