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鈣鈦礦太陽能電池(perovskite solar cells,PSCs)是以具有典型鈣鈦礦晶型ABX3為吸光層的太陽能電池。鈣鈦礦太陽能電池以其全固態的結構及較高的光電轉化效率受到了人們極大的關注。電池效率的發展速度超出了過往所有太陽能電池,有希望成為新一代光伏電池中最有潛力和利用價值的太陽能電池。

鈣鈦礦太陽能電池按照結構劃分能夠分為兩大類:介孔型和平面異質結型,其中介孔和平面型的電池又分別有n-i-p型和p-i-n型。圖1-1是幾種典型的鈣鈦礦太陽能電池結構。圖中(a)n-i-p型介孔鈣鈦礦太陽能電池是最為常見且發展最快也是世界上目前認證性效率最高的鈣鈦礦太陽能電池,有報道的最高效率已經達到了22.1%,經過認證的效率更是達到了22.7%。它包含了FTO電極,n型致密層TiO2和介孔層TiO2,鈣鈦礦層,空穴傳輸層,金屬電極。這種電池結構穩定且效率相對其他幾種電池要高,但需要多次高溫煅燒(T>500℃)TiO2,且電池容易產生遲滯效應。(b)n-i-p型平面鈣鈦礦太陽能電池。這類電池包含FTO電極,n型致密層(TiO2或SnO2),鈣鈦礦層,空穴傳輸層和金屬電極。與(a)相比這種結構的電池少了介孔層,少了一道煅燒工藝,但是目前最高效率較(a)結構略低一些,是因為這種電池對界面電荷傳輸要求較高。(c)p-i-n型倒置平面鈣鈦礦太陽能電池。由ITO、空穴傳輸材料、鈣鈦礦層、電子傳輸層和金屬電極構成。這種電池雖然在最高光電轉化效率上較最常見的(a)型略低一些,但是其具有特定的優勢:較為簡單的制備工藝,不用高溫煅燒,可適用于柔性基底。但由于使用銀或鋁電極,穩定性上仍有待提升。(d)p-i-n型介孔鈣鈦礦太陽能電池,其結構由ITO、空穴層、介孔空穴層、鈣鈦礦、電子傳輸材料和金屬電極。這類電池的優勢在于無機介孔空穴傳輸層最大限度的利用了無機材料成本較低的優點。

圖1-1 幾種常見的鈣鈦礦太陽能電池結構

鈣鈦礦光伏器件制備過程可以細分為基底清洗、等離子清洗、空穴傳輸層制備、鈣鈦礦層制備、電子傳輸層及阻擋層制備以及電極蒸鍍組成。

鈣鈦礦等離子清洗（ITO/FTO玻璃）

鈣鈦礦太陽能電池組裝的第一步是將清洗干凈的ITO/FTO玻璃進行等離子清洗。等離子體清洗是通過施加電場后產生的荷能粒子轟擊材料表面,從而對材料界面進行改性的方法。對于高分子材料而言,低溫等離子體的能量選擇至關重要。合適的等離子體能量可以清洗材料表面的雜質原子或分子,一定程度上破壞高分子材料的分子鍵合力以實現表面改性。當具備一定能量的惰性氣體等離子體轟擊在高分子材料表面,將產生離子注入和能量交換,會造成低分子量材料的逸出。

等離子清洗可以起到兩方面的作用:一方面等離子體處理可以將ITO玻璃的功函數由4.3提高到4.8左右。這使得ITO玻璃能夠與空穴傳輸層能級更加匹配,這會有利于電子在電極層和空穴傳輸層之間的傳遞。另一方面等離子清洗能夠有效清除ITO基底表面的油污以及有機小分子，使得ITO玻璃具有更好潤濕性,溶劑在ITO玻璃上的接觸角會更小,有利空穴傳輸層在ITO上沉積出更為致密的薄膜。

通過等離子清洗,能夠有效改善鈣鈦礦層與ITO/FTO玻璃的接觸情況,降低接觸界面的缺陷,減少電子與空穴復合提高了ITO/FTO直接提取電子的能力,避免電子在界面處堆積,降低了電子與空穴的復合,有效改善鈣鈦礦發光層的成膜質量,提高電池性能。