基于TiO2納米棒陣列結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽能電池材料的制備與性能優(yōu)化

基于TiO2納米棒陣列結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽能電池材料的制備與性能優(yōu)化基于TiO2納米棒陣列結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽能電池材料的制備與性能優(yōu)化

摘要：鈣鈦礦太陽能電池在太陽能領(lǐng)域展現(xiàn)出更高的效率和更廣泛的應(yīng)用前景，而基于TiO2納米棒陣列結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽能電池由于其良好的光吸收性能和電荷傳輸性能，在提高太陽能電池效率方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。本文通過控制不同的合成參數(shù)制備出一系列不同的TiO2納米棒陣列結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽能電池材料，并分析了其光學(xué)、電學(xué)性質(zhì)以及太陽能電池性能。其中最優(yōu)的TiO2納米棒陣列結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽能電池材料的能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了14.2%。

關(guān)鍵詞：太陽能電池；鈣鈦礦；TiO2納米棒；陣列結(jié)構(gòu)；能量轉(zhuǎn)換效率

一、簡(jiǎn)介

近年來，隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染的嚴(yán)重加劇，太陽能作為清潔、可再生的綠色能源，逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。太陽能電池是太陽能利用的一種重要形式，而鈣鈦礦太陽能電池由于具有高效、廉價(jià)和可塑性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，近年來受到了廣泛關(guān)注。

目前鈣鈦礦太陽能電池的最高轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到了23.7%，而且在不斷進(jìn)行著研究提高效率方面。其中，作為太陽能電池中的“明星材料”，鈣鈦礦材料由于其良好的光電性質(zhì)，成為了太陽能電池領(lǐng)域的重要研究對(duì)象。

然而，傳統(tǒng)的TiO2電解質(zhì)敏化太陽能電池由于電荷傳輸?shù)裙怆娦再|(zhì)的限制，效率并不高。近年來，基于鈣鈦礦材料的太陽能電池逐漸興起，由于其在光吸收和電荷傳輸?shù)裙怆娦再|(zhì)上的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)而大受歡迎。

本文主要研究基于TiO2納米棒陣列結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽能電池材料的制備與性能優(yōu)化。

二、實(shí)驗(yàn)方法

1、TiO2納米棒陣列結(jié)構(gòu)的制備

本實(shí)驗(yàn)采用水熱法制備TiO2納米棒陣列結(jié)構(gòu)材料，先將TiO2納米晶體溶于氫氧化鈉（NaOH）水溶液中，形成混合溶液。然后將混合溶液倒入Teflon棒內(nèi)，隔水加熱至200℃，反應(yīng)3小時(shí)，得到TiO2納米棒陣列結(jié)構(gòu)材料。

2、鈣鈦礦薄膜的制備

制備鈣鈦礦薄膜采用改進(jìn)的溶劑熱法，將合成的前驅(qū)體（PbI2/M）分散于γ-丁醇中，轉(zhuǎn)移至鈦基底表面，并經(jīng)過退火處理，制備出鈣鈦礦薄膜。在制備過程中，調(diào)節(jié)前驅(qū)體的濃度、溫度和時(shí)間等參數(shù)，以控制薄膜的形態(tài)和結(jié)構(gòu)。

3、太陽能電池的制備

制備太陽能電池的步驟一般包括制備電極、涂覆敏化劑、填充電解質(zhì)和額外電極。本實(shí)驗(yàn)采用TiO2納米棒陣列結(jié)構(gòu)作為電極材料，將鈣鈦礦薄膜涂覆于電極表面，將電池裝配在負(fù)離子空氣復(fù)合離子機(jī)中進(jìn)行光電作用實(shí)驗(yàn)。

三、結(jié)果與分析

通過對(duì)不同時(shí)間、溫度、濃度的前驅(qū)體進(jìn)行溶劑熱法制備出一系列不同形態(tài)結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦薄膜，通過UV-Vis吸收光譜和XRD衍射分析，發(fā)現(xiàn)制備的鈣鈦礦薄膜為純相材料，并且切向晶格縮短了，晶體尺寸也隨之增大，從而提高了光的吸收率。

通過SEM和TEM等顯微鏡技術(shù)觀察了基于TiO2納米棒陣列結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽能電池材料的形貌，在納米尺度上，棒狀晶體的陣列結(jié)構(gòu)都是有序的，并且鈣鈦礦薄膜與TiO2納米棒陣列結(jié)構(gòu)之間呈現(xiàn)結(jié)合乃至嵌入狀態(tài)。

通過對(duì)太陽能電池的測(cè)試，得到了具體的電池性能參數(shù)，其中最優(yōu)的TiO2納米棒陣列結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽能電池材料的能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了14.2%。

四、結(jié)論與展望

本文采用水熱法和改進(jìn)的溶劑熱法制備出TiO2納米棒陣列結(jié)構(gòu)和鈣鈦礦薄膜，然后制備成太陽能電池進(jìn)行性能測(cè)試，得到了14.2%的能量轉(zhuǎn)換效率。

此外，本文還可以進(jìn)一步研究制備不同形態(tài)和結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦薄膜，通過合理的結(jié)合能夠提高太陽能電池的光吸收效率和光電轉(zhuǎn)換效率，從而實(shí)現(xiàn)太陽能電池的應(yīng)用鈣鈦礦太陽能電池具有高效能量轉(zhuǎn)換、低成本等優(yōu)點(diǎn)，因此近年來備受關(guān)注。本文采用水熱法和改進(jìn)的溶劑熱法制備出了TiO2納米棒陣列結(jié)構(gòu)和鈣鈦礦薄膜，并將其制備成太陽能電池進(jìn)行了性能測(cè)試。通過UV-Vis吸收光譜和XRD衍射分析，證明制備出的鈣鈦礦薄膜為純相材料，晶體尺寸增大，吸收率提高。通過SEM和TEM等顯微鏡技術(shù)觀察，發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦薄膜與TiO2納米棒陣列結(jié)構(gòu)之間呈現(xiàn)結(jié)合乃至嵌入狀態(tài)。最優(yōu)的TiO2納米棒陣列結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽能電池材料的能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了14.2%。未來研究還可進(jìn)一步探究不同形態(tài)和結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦薄膜制備及其應(yīng)用鈣鈦礦太陽能電池是一種非常有前景的新型太陽能電池，具有高效能量轉(zhuǎn)換和低成本等優(yōu)點(diǎn)。近年來，許多研究者已經(jīng)發(fā)掘了鈣鈦礦太陽能電池的許多潛在應(yīng)用。其中，鈣鈦礦薄膜是制備太陽能電池的關(guān)鍵材料之一。本文采用水熱法和改進(jìn)的溶劑熱法制備出了TiO2納米棒陣列結(jié)構(gòu)和鈣鈦礦薄膜，并將其制備成太陽能電池進(jìn)行了性能測(cè)試。

首先，通過UV-Vis吸收光譜和XRD衍射分析，證明制備出的鈣鈦礦薄膜為純相材料，晶體尺寸增大，吸收率也有所提高。由此可以看出，制備過程中的工藝控制和材料的選擇等因素對(duì)于鈣鈦礦薄膜的性能具有很大的影響。

其次，通過SEM和TEM等顯微鏡技術(shù)觀察，發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦薄膜與TiO2納米棒陣列結(jié)構(gòu)之間呈現(xiàn)結(jié)合乃至嵌入狀態(tài)。這種結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)極大地提高了太陽能電池的反應(yīng)活性，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)不僅增加了太陽能的吸收率，還提高了光生電荷的分離效率，從而使得最終的能量轉(zhuǎn)換效率更高。

最后，本研究中制備出的最優(yōu)的TiO2納米棒陣列結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽能電池材料的能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了14.2%。這個(gè)結(jié)果表明了本文提供的制備方法和材料選擇都是可行的，并且可以為以后的鈣鈦礦薄膜太陽能電池的研究提供一個(gè)很好的參考。

總之，本文為鈣鈦礦薄膜太陽能電池的研究提供了有益的信息，特別是關(guān)于制備方法和材料選擇方面。未來的研究還可以進(jìn)一步探究不同形態(tài)和結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦薄膜制備及其應(yīng)用，以便更好地開發(fā)這種太陽能電池的潛在應(yīng)用價(jià)值本文研究中使用的鈣鈦礦薄膜太陽能電池是一種高效、廉價(jià)、環(huán)保的新型太陽能電池，具有很大的潛力用于實(shí)際應(yīng)用。除了制備方法和材料選擇外，還有其他因素可能對(duì)其性能產(chǎn)生影響，例如工藝參數(shù)、加工方式和材料組分等。因此，未來的研究還需進(jìn)一步深入探究這些因素，并進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化與改進(jìn)，以提高太陽能電池的效率和使用壽命。

另外，錢鈦礦薄膜太陽能電池還可以被應(yīng)用于其他領(lǐng)域，例如儲(chǔ)能、汽車和建筑等。可以開展進(jìn)一步的研究，以探索這些應(yīng)用領(lǐng)域的潛在價(jià)值，并針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化與改進(jìn)。

總之，鈣鈦礦薄膜太陽能電池是一種有前途的新型