多孔Cr-TiO2/P3HT异质结薄膜的制备及光伏特性研究
采用溶胶-凝胶法，利用聚乙二醇2000(PEG 2000) ，成功制备了多孔Cr掺杂TiO2(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Cr-TiO2 /P3HT 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有利于提高Cr-TiO2/P3HT异质结光伏器件的光电转换效率。讨论了PEG 2000对Cr-TiO2薄膜结构及Cr-TiO2/P3HT 异质结光伏特性的调制机理。实验结果为无机-有机聚合物异质结光伏器件的研究提供了基础实验数据。
1、引言
进入21世纪，能源问题已日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈，合理开发和利用太阳能资源对缓解能源危机、推动社会发展有着重大的现实意义。太阳能电池是能够将光能转换为电能的器件。目前，虽然所开发的聚合物太阳能电池效率仍普遍较低，且性能还不稳定，但具有质量轻、可利用廉价大面积制备技术( 如旋转涂膜、喷墨打印等) 制成柔性好、成本低的特种形状器件并可望实现全塑化等优点，聚合物阳能电池已成为光伏研究中最为活跃的领域之一。由无机半导体和聚合物材料组成的无机-有机异质结聚合物太阳能电池是当前该领域的研究热点之一。宽禁带半导体TiO2，是该类聚合物电池常用的电子受体材料，许多研究工作已通过阳极氧化法、水热法和静电纺丝等方法设计制备了各种形貌结构的TiO2材料，如纳米管、纳米球和纳米纤维等，并在聚合物太阳能电池中的应用和光伏特性研究方面取得了大量有益的研究成果。然而，宽带隙的TiO2只能有效吸收紫外光，而对占太阳光谱总能量约45%的可见光几乎不响应，这严重制约了该类聚合物光伏器件光电转换效率的进一步提高。对此，选用适当的无机元素对TiO2进行掺杂改性是拓展其对可见光谱响应范围的有效途径，常用的掺杂剂有过渡金属、贵金属、稀土元素，以及N、C、F、S等非金属元素。其中，选择金属Cr 做掺杂剂，能够很好的改善TiO2的可见光谱响应特性，目前已有研究工作将Cr 掺杂的TiO2应用于光催化领域并取得了较好的研究成果。
在已有研究工作的基础上，采用简便的溶胶-凝胶法，通过在溶胶中加入不同量的PEG 2000，制备了形貌结构与光透射特性同时可控的多孔Cr 掺杂TiO2纳米薄膜，并作为电子受主材料，与作为电子施主材料的共轭聚合物聚3-己基噻吩(P3HT)结合，制备了Cr-TiO2/P3HT 无机-有机聚合物异质结结构，细致研究了该结构的光电转换特性及其与Cr-TiO2薄膜结构间的相关性。在研究工作中，相比致密Cr-TiO2膜，在溶胶中添加2.5%wt.(WPEG 2000/Cr) 的PEG 2000，可将基于多孔Cr-TiO2/P3HT异质结光伏器件的光电转换效率提高26%。该研究结果对拓展基于掺杂TiO2的无机-有机光电器件的应用研究是非常有益的。
2、样品制备与表征
2.1、多孔Cr掺杂TiO2纳米薄膜的制备
多孔Cr 掺杂TiO2(Cr-TiO2)纳米薄膜的制备采用溶胶-凝胶法。首先，将17.2 ml的钛酸四丁脂逐滴加入68ml乙醇并搅拌30min，得到溶液A。将4.8 ml 乙二醇胺、0.9 ml 去离子水和10ml Cr( NO3)3·9H2O 的乙醇溶液(4%wt.) 均匀混合，制得溶液B。再将溶液B 逐滴混合至溶液A 并搅拌1h 后，加入一定量的聚乙二醇( PEG 2000) ，制备得到质量百分比( WPEG /Cr) 分别为0、0.5、1.5 和2.5% wt. 的系列Cr-TiO2溶胶。而后，将上述Cr-TiO2溶胶分别旋涂( 4000 r/min) 在清洗干净的FTO 导电玻璃基底上，室温干燥后置于马弗炉中，500℃退火2. 5h 后，即可得到多孔结构的Cr-TiO2纳米薄膜。
2.2 FTO/Cr-TiO2/P3HT/Cu异质结光伏器件的制备
采用20mg /ml 的P3HT 甲苯溶液，旋涂在多孔FTO/Cr-TiO2薄膜上制备厚度约100 nm 的P3HT 聚合物膜，干燥后在氩气氛( ～120Pa) 中180 ℃退火1.5 h，使玻璃态温度下呈液态的P3HT 在多孔Cr-TiO2膜中充分浸润，并与Cr-TiO2形成良好的界面接触。最后，在FTO/Cr-TiO2/P3HT 膜上蒸镀金属Cu 电极，制备得到FTO/Cr-TiO2/P3HT /Cu 异质结薄膜结构的聚合物光伏器件。
2.3、样品的形貌与性能表征
用场发射扫描电镜( FE-SEM，JSM-6701F，Japan) 表征了多孔Cr-TiO2纳米薄膜的形貌结构; 用X 射线光电子能谱( XPS，PHI-5702) 分析了薄膜的元素组成; 用紫外-可见-近红外分光光度计( vis-NIR，Perkin Elmer Lambda 900 spectrometer)测试了多孔Cr-TiO2纳米薄膜的光透射特性; 用半导体器件测试系统(Keithley 4200) 研究了光伏器件的光电转换特性。
4、结论
采用溶胶-凝胶法，通过在溶胶中加入PEG 2 000，制出了具有多孔结构的Cr 掺杂TiO2( Cr-TiO2) 纳米薄膜，并通过改变溶胶中PEG 2000 的含量实现了对Cr-TiO2薄膜多孔结构及其光透射特性的有效调制.基于系列多孔Cr-TiO2纳米薄膜，组装并研究了Cr-TiO2 /P3HT 异质结聚合物光伏器件的光电转换特性，结果表明，随PEG 2000 含量的增加而增大的Cr-TiO2薄膜微孔孔径及分布密度对于提高器件的短路电流密度进而改善其光电转换效率十分有益，这归因于多孔的薄膜结构能够增大Cr-TiO2 /P3HT 异质结界面，同时其强的光散射效应有助于提高Cr-TiO2 /P3HT 对入射光子的利用率。用实验研究结果能够为无机-有机聚合物异质结光伏器件的研究提供了基础实验数据，具有一定的实际意义。
