编者的话：台湾卢荣宏等研究开发有机金属的钙钛矿结构(CH₃NH₃PbI₃)太阳电池,由于高的光电转换效率、简单的元件结构、以及轻的质量,钙钛矿结构太阳电池具有超越硅晶太阳电池的市场应用潜力。银-铟锡氧化物-银(Ag/ITO/Ag)共振腔结构的彩色电极，由于银薄膜的低电阻率以及共振腔结构产生的高纯度彩色穿透光，Ag/ITO/Ag彩色电极成为穿透式彩色薄膜太阳电池的极佳电极选择。卢荣宏等设计制作的Ag/ITO/Ag共振腔结构彩色电极，涵盖的色域宽广, 同时又具有非常低的片电阻值0.5～0.6Ω。Ag/ITO/Ag彩色电极结合CH₃NH₃PbI₃形成的彩色薄膜太阳电池 ,拥有5.69%(蓝色)～7.20%(橙色)的功率转换效率。此彩色太阳电池适用于节能绿建筑的彩色玻璃窗、车子的彩色天窗、美学艺术的彩绘玻璃,创造舒适美丽的再生能源环境。

彩色的高效率钙钛矿结构太阳电池

卢荣宏  庄修瑞  叶俊宏  余彦霖  陈志平

明志科技大学

一、前言

科技的进展带来的能源污染环境的问题，迫使我们对洁净能源的需求越发强烈。太阳电池是再生能源的重要一环，由于太阳光有功率密度的限制(AM 1.5G, 1000W/m² )，提高太阳电池的功率转换效率自然成为太阳光电技术发展的重点。同时，另一个同等重要的议题「节约能源」也必需被考虑，半穿透的大楼帷幕玻璃就是降低空调负载与照明应用的节能设计。因此，建筑物整合太阳光电的设计(BIPV)，穿透式彩色薄膜太阳电池将是结合产生能源、节约能源、以及美学艺术的未来需求。CH₃NH₃PbI₃钙钛矿结构材料的电子能隙约1.55eV，整个可见光范围皆能产生明显的光伏效应，此外，CH₃NH₃PbI₃材料具有较长的电子电洞扩散长度(约100nm)能缓和电子电洞的复合，因此在日光照射下的CH₃NH₃PbI₃钙钛矿结构薄膜太阳电池能够表现出较高的功率转换效率。银-铟锡氧化物-银(Ag/ITO/Ag)的膜层具有低的片电阻值，适合用于太阳电池的电极，此外，调控Ag/ITO/Ag膜层结构的ITO厚度，可以形成不同光波长的共振腔，因而控制不同颜色光线的穿透。为了同时拥有高效率的薄膜太阳电池与高纯度色彩的穿透光，本研究结合CH₃NH₃PbI₃太阳电池与Ag/ITO/Ag共振腔结构彩色电极，探讨高效率穿透式彩色薄膜太阳电池的设计与制作。

二、实验与理论介绍

2.1  共振腔结构彩色电极

穿透式薄膜太阳电池的彩色电极，原则上需要低片电阻以减少串联电阻、高反射率以增加光伏反应层的吸收，Ag/ITO/Ag膜层结构除了符合上述要求外，还能借由ITO薄膜厚度的变化来控制不同波长(颜色)的光线穿透。我们先以简单的理论说明Ag/ITO/Ag共振腔结构造成建设性干涉的穿透光(高纯度色彩)，当同调性的电磁波函数穿透过共振腔结构时，若波函数彼此的相位差为2mπ(m为整数)将形成建设性干涉，代表此波穿透过共振腔结构的机率大大的增高，影响相位差的因素有两个，一个是膜层界面反射造成的相位差Φ，另一个是光程差造成的相位差2π(2dn/λ)，其中d与n分别为ITO的薄膜厚度与光学折射率，λ为光波波长。举一例说明，若波长450nm 且垂直入射时，ITO的折射率n=2.13，Ag的复数折射率为0.05+2.3i，则依据ITO/Ag界面的振幅反射系数r=(n_ITO－n_Ag)/(n_ITO+n_Ag)，反射造成的相位差约0.48π(两次反射造成的相位差为0.96π=Φ)，若ITO的薄膜厚度d=55nm，来回光程差造成的相位差2π(2dn/λ)=1.04π，此时Φ+2π(2dn/λ)=2π即造成建设性干涉，我们便可看到主要波长450nm的穿透光。对于波函数在Ag/ITO/Ag各膜层中无穷次反射与穿透的完全解法，可以采用多光束干涉递归法(multiple-beam recursive method)进行理论模拟。Ag/ITO/Ag膜层结构的薄膜厚度，Ag约30nm，ITO厚度变化范围50nm～110nm对应着蓝紫色、蓝色、红色、红紫色的穿透光，薄膜的纳米尺寸厚度对彩色电极的光性影响非常大，本研究我们利用快速又精准的X光反射技术(XRR,X-ray reflectivity)测量分析Ag/ITO/Ag复层结构的薄膜厚度。

2.2  钙钛矿结构太阳电池

有机金属的钙钛矿结构(CH₃NH₃PbX₃，X为卤族)太阳电池具有高开路电压(～1V)以及高功率转换效率，CH₃NH₃PbI₃可用蒸镀法或是旋镀法(Spin Coating)在透光导电基板制作太阳电池元件。利用旋镀法制作有机金属的钙钛矿结构太阳电池元件具有制造成本上的优势，但是，彩色电极Ag/ITO/Ag共振腔结构需要精准的薄膜厚度控制。因此，本研究先采用旋镀法在ITO透明导电基板上依序制作电洞传输层(PEDOT:PSS)/钙钛矿结构层(CH₃NH₃PbI_3-xCl_x)/电子传输层(PCBM)，接着将金属遮罩放在PCBM上面，改用旋转依序溅镀法(Rotational Sequential Sputtering)继续镀制膜厚精确并且均匀的彩色电极Ag/ITO/Ag。

三、实验结果与讨论

3.1  彩色太阳电池的设计

穿透式彩色钙钛矿结构太阳电池中，CH₃NH₃PbI_3-xCl_x吸收光子产生电子电洞对，依据电子能带设计光伏元件，PCBM的导带底部略低于CH₃NH₃PbI_3-xCl_x的导带，而PEDOT:PSS的价带顶部则略高于CH₃NH₃PbI_3-xCl_x的价带，加上钙钛矿结构材料的电子电洞对有较长的扩散长度，因此电子与电洞可以分别经由PCBM与PEDOT:PSS到达彩色电极与ITO透明电极，此传输机制明显不同于传统的pn接面(Junction)，传统半导体pn接面的内建电场能将电子电洞对拉开而产生光电流。然而，钙钛矿结构材料不需要明显的pn接面设计就能有高光电转换效率，如此有助于元件制程的方便化与多样化。为了创造半透光的钙钛矿结构太阳电池，CH₃NH₃PbI_3-xCl_x的薄膜厚度就不能太厚，可是，厚度变薄不利于太阳电池的光电转换效率，因此我们选择高反射率的银薄膜来增加CH₃NH₃PbI_3-xCl_x薄膜的光吸收，加上Ag/ITO/Ag共振腔结构，利用ITO薄膜厚度(共振腔长度)来控制穿透光的色彩。

3.2   Ag/ITO/Ag彩色电极

由于Ag/ITO/Ag彩色电极薄膜的尺寸厚度对穿透光的影响非常大，因此我们利用XRR测量分析Ag/ITO/Ag复层结构的薄膜厚度，依此建立镀膜制程的参数。单层Ag、双层ITO/Ag、三层Ag/ITO/Ag薄膜样品的XRR检测与模拟，模拟的理论依然是多光束干涉递归法，检测与模拟比对显示双层ITO/Ag的ITO厚度51.4nm、三层Ag/ITO/Ag薄膜样品的ITO厚度52.5nm，膜厚制程控制尚在1nm内。

Ag/ITO/Ag/glass substrate彩色电极样品的穿透光谱中9片不同色彩的样品，彩色电极样品的镀膜面积2.5cm×5cm，Ag厚度30nm，彩色电极穿透光色彩与膜层中的ITO厚度分别为紫蓝(a)52nm、蓝(b)64nm、蓝绿(c)68nm、绿(d)76nm、黄绿(e)82nm、黄(f)90nm、橙(g)96nm、红(h)100nm、红紫(i)112nm。彩色电极样品的片电阻0.5～0.6Ω。彩色电极样品的穿透光谱所对应的色度坐标中马蹄形的黑色曲线是单频光的色度坐标，因此，样品穿透光的色度坐标越靠近黑色曲线代表色彩的纯度越高。

3.3  彩色的钙钛矿结构太阳电池

依据3.1的设计，我们制作不同颜色的穿透式彩色钙钛矿结构太阳电池，为了便于拍摄样品穿透光的效果，制作的样品大小1.5cm×1.5cm，将学校Logo置于样品后面，以太阳光模拟器为光源由样品背面照射，黑色纸遮住样品外的地方所拍摄的样品图片。彩色太阳电池样品的穿透光谱所对应的色度坐标中的照片是相机镜头透过彩色太阳电池样品(A)蓝、(C)绿、(F)红所拍摄的学校大楼。

量测功率转换效率的太阳电池元件样品，元件面积0.1cm²在照光下(AM1.5G，100mW/cm²)的电压电流特性曲线。不同穿透光颜色样品的功率转换效率分别为(Blue)5.69%、(Green)6.13%、(Orange)7.20%、(Red)6.72%。

四、结论

本研究成功结合CH₃NH₃PbI₃钙钛矿结构太阳电池与Ag/ITO/Ag共振腔结构彩色电极，制作出高效率穿透式彩色薄膜太阳电池，不仅穿透光涵盖的色域宽广,同时拥有5.69%(蓝色)～7.20%(橙色)的功率转换效率。

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