薄膜太陽電池的生力軍:鈣鈦礦薄膜太陽電池的進展(上)

 

刊登日期:2015/6/5
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鈣鈦礦吸光材料的光電特性
鈣鈦礦結構如圖一所示,根據第一原理的計算: CH3NH3 與 Pb 各自提供一個與兩個電子給  I3, CH3NH3 以凡德瓦爾力( Van Der Waals Force )與 Pb-I 架構維持電中性,因此 CH3NH3 幾乎不影響 Pb 在導電帶的特性,I則決定價電帶的特性。雖然 CH3NH3 對電子結構的影響不顯著,但 CH3NH3 的方向性影響材料的介電常數,如表一所示,激子束縛能( Exciton Binding Energy )則可表示為 Eb = e2 /[4πε0εdr],r 為波爾半徑 (= 2.8 nm),εd為 CH3NH3PbI3 的介電常數。

太陽電池的填充率反應載子再復合( Recombination )的情形—載子會在吸光材料內部與介面處發生再復合。當吸光材料的厚度越大時,載子的再復合主要發生在吸光材料內部,若減少吸光材料的厚度,將降低對太陽光的吸收量導致短路電流的減少。對於同一個吸光材料而言,適當的厚度將得到最佳的短路電流與填充率之乘積。目前已經有理論計算研究鈣鈦礦吸光材料的最佳厚度,但在實驗室則還沒有鈣鈦礦吸光材料的厚度變化對應元件效率的關係被發表在期刊上。

鈣鈦礦材料中的激子與載子材料吸收光子後獲得能量,電子由基態( Ground State )躍遷至較高能階形成了激發態( Excited State )。此激發態可以看作是一個電子和電洞受到靜電吸引力而束縛在一起,此電子電洞對被稱為激子。圖二顯示當光子將鈣鈦礦材料的基態電子激發到激發態,此時的電子被稱為熱電子( Hot Electron ),此熱電子與晶格振盪產生同調與非同調碰撞,以兩個不同的路徑回到基態與導電帶( Conduction Band )。

熱電子與晶格振盪產生同調碰撞後產生拉曼散射訊號,由於熱電子的振盪頻率遠高於晶格振盪的頻率,故拉曼散射的訊號強度非常弱。熱電子與晶格振盪產生非同調碰撞後,鬆弛到導電帶的電子被稱為冷電子( Cold Electron ),此時導電帶的電子與價電帶( Valence Band )的電洞形成激子。對於 CH3NH3PbI3 ,其熱電子的生命期約 1 ps、激子的生命期與材料的結構相關,約 10~100 ns。

鈣鈦礦太陽電池的結構與製程
元件效率達到 15%以上的鈣鈦礦太陽電池可分類為三種結構:染料敏化太陽電池結構、正式有機太陽電池結構與反式有機太陽電池結構。染料敏化太陽電池結構,其製程依序為 FTO 導電玻璃基板/緻密層 TiO2/多孔性TiO2 / CH3NH3PbI3 鈣鈦礦吸光層/ Spiro-OMeTAD電洞傳導層/ Au,目前發表最高元件效率為 17.1%。

正式有機太陽電池結構,其製程依序為 ITO導電玻璃/ PEDOT:PSS /  CH3NH3PbI3 鈣鈦礦吸光層/ PC71BM 電子傳導層/ Ca / Al,目前發表最高元件效率為 16.3%;反式有機太陽電池結構,其製程依序為 ITO 導電玻璃/ PEIE / Y:TiO2 /  CH3NH3PbI3 -xClx 鈣鈦礦吸光層/ Spiro-OMeTAD 電洞傳導層/ Au,目前發表最高元件效率為 19.3%。現階段以正式有機太陽電池結構的製程最為簡易。


圖四、電子顯微鏡下的全元件剖面圖

目前的三種元件結構與搭配兩種塗佈製作鈣鈦礦薄膜的方法,以兩步驟的塗佈法獲得最高的元件效率(19.3%),元件特性如圖七所示,但是花費的製程時間最多。氬氣輔助的一步驟塗佈法,雖然效益稍低(16.97%),但最節省時間,且適合於製作大面積高品質的鈣鈦礦吸光薄膜。2014年11月,韓國的 Korean Research Institute of Chemical Technology(KRICT) 所製作的鈣鈦礦太陽電池已經過美國的 National Renewable Energy Laboratory(NREL)量測驗證效率為 ------以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。


圖七、CH3NH3PbI3-xClx太陽能電池的J-V曲線

作者:張勝雄、鄭信民/工研院材化所
            陳昇暉、林昆鋒/中央大學光電系所

★本文節錄自「工業材料雜誌」342期,更多資料請見下方附檔。
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