PZT对钙钛矿太阳能电池的影响

摘 要：太阳能电池目前已成为科学界的研究热点，太阳能电池主要由电子传输层、光活性层以及空穴传输层这几部分构成。提高太阳能电池的效率也大多是从这几方面考虑的。本文旨在将PZT掺入太阳能电池的光吸收层和空穴层之间，在光电转换过程中将散失的热能转换为电能，从而提高钙钛矿太阳能电池的效率。

关键词：钙钛矿；光活性层；PZT；光电转换效率

1 PZT简介

PZT——锆钛酸铅，是铁电体PbTiO3和反铁电体PbZrO3形成的二元固溶体，材料的介电、铁电、压电性可由Zr、Ti的比例不同而不同。PZT薄膜在接近居里温度时表现出巨热释电效[ 1 ]。

2 钙钛矿太阳能电池

钙钛矿简介：MAPbX3（X为卤族元素）这一类物质称为钙钛矿。钙钛矿具有较高的吸收效率、高电子迁移率、能带宽及高稳定性等特点[ 2 ]。MAPbX3钙钛矿被认为是在光伏领域最具有竞争的材料，因为它价格低廉、有效的吸收性[ 3 ]。MAPbI3分子结构式是ABO3型。钙钛矿材料主要分为两种：有机-无机杂化性和无机型。前者结构中是由无机原子团取代的晶胞位置，而非单个原子。较无机钙钛矿相比，有机-无机钙钛矿具有更好的光学性质和化学性质。1）激子束缚能小，在室温下就能使空穴和电子分离成载流子。2）介电常数大。3）载流子扩散快，距离长。4）光吸收谱有较广的范围，吸收边达到800nm。太阳能电池的工作原理：钙钛矿太阳能电池主要由：电子传输层、光吸收层、空穴传输层以及电极四部分构成。电子传输层的作用是，提高光生电子迁移率，阻挡空穴迁移至阴极，光吸收层MAPbI3是空穴的传输通道。钙钛矿太阳能电池的基底结构大致为FTO/TiO2/MAPbI3/HTM/Au。由于空穴传输材料价格昂贵，所以本文中实验制备的是无空穴传输材料。

3 实验过程

MAPbI3的制备：30ml质量分数为57%的氢碘酸和27.8 ml、40%的甲胺醇溶液，混合冰浴2h，然后将反应后的溶液50℃干燥至白色粉末状物，再用无水乙醇和乙醚萃取，无水乙醇和乙醚的体积比为1：30，萃取干燥后得到的晶体即为MAI晶体。将0.318g MAI和0.924g PbI2和2ml DMF混合，40℃水浴加熱5min左右即可得到溶液。

PZT材料制备：将0.01mol醋酸铅与适量甲醇溶液混合得A溶液，将0.01mol硝酸氧锆与适量乙酰丙酮溶液混合得B溶液，将0.01mol钛酸丁酯与适量乙醇混合得C溶液。将A、B溶液倒入C中，用加热套加热，冷凝回流10h左右。直至溶液颜色变成红褐色。注意加热套温度不要调至过高。否则会使有机物碳化在烧瓶内。

实验过程：用适量的丙酮、无水乙醇、去离子水，在超声清洗器（SK 3210）清洗FTO导电玻璃，各超声5分钟。在台式匀胶机（KW-4A型）固定好FTO玻璃，在有导电层的一面涂上TiO2溶胶，将转速调节转速I 为1000r/min，时间为10s，转速II为2000r/min，时间为20s。取下FTO玻璃片，待晾干，放入马弗炉中加热，温度设为450℃，保温1小时，退火冷却。再旋涂上MAPbI3薄膜，晾干，再旋涂PZT薄膜，晾干。蒸镀上Al电极，测试即可。

4 样品表面表征及性能测试

因无光照，没有光生电子，在某种程度上表示电子的复合过程。电流如果越大，则电子复合程度。经PZT修饰的光活性层制备的电池，电子复合程度较未经PZT修饰光活性层电池小。这证明经PZT修饰过光活性层后对电子复合过程起到了抑制作用。经过PZT修饰的太阳能电池光电流密度从19.84mA/cm提升到21.41mA/cm。开路电压相差不大。但填充因子有明显的提高，提高了11.23%，因此明显提高了电池的转化效率。

5 结论

通过实验与分析，经过PZT修饰的太阳能电池，效率有明显的提高。CH3NH3PbI3在常温下是四方结构，由于铅元素的孤对电子常被应用于多铁和铁电领域，含铅无机钙钛矿通常存在铁弹性和铁电的相变。在有光照的条件下，铅因为有多个价态，加上偏压有可能导致共边的八面体扭曲使得A、B位产生电偶极。具有铁电性的PZT在常温附近有两个想变点，相转变温度只有几摄氏度的范围，有光照的情况下来回相变，并不会损失自发极化，且释放电荷，因此热释电系数高。PZT热释电系数高，把光的那部分热量转化为电能，增大了电流密度，使得太阳能电池的填充因子增大，从而提高了钙钛矿太阳能电池的效率。

参考文献：

[1] A.S.Mischenko，Q.Zhang et al.Giant Electrocaloric Effect in Thin-Film PbZr0.95Ti0.05O3 Science Vol.311， 2006（1270）.

[2] Anyi Mei， Xiong Li， Hongwei Han. A hole-conductor-free， fully printable mesoscopic perovskite solar cell with high stability[J]. Science.1254763，2014.

[3] N-G.Park，J.Phys，Chem.Lett.4（2013）2423-2429.

作者简介：黄希，江西南昌人，汉族，天津师范大学研究生，专业：钙钛矿太阳能电池研究。