第四章 結果與討論
4.4 三種不同鹵化物之鈣鈦礦結構元件光電特性比較探討
本 節 研 究 以 鈣 鈦 礦 光 吸 收 層 材 料 結 構 CH3NH3PbI3 、 CH3NH3PbI2Br、CH3NH3PbI2Cl製成太陽能電池元件，元件製作參數的選 擇分為三部分：(1)不同退火溫度條件比較(2)光吸收層旋塗厚度影響比較 (3)不同鹵化物成分取代之鈣鈦礦結構比較。首先以不同鹵化物成分之 CH3NH3PbI2X作為光吸收層材料進行元件製作，探討元件之光電特性，
並利用CH3NH3PbI3所進行第一部分及第二部分的元件的探討得到最佳操 作參數，依100℃退火溫度/1500 rpm旋塗4層作為第三部分測試參數的基 礎。
本節將比較不同鹵化物成分之鈣鈦礦結構元件特性之影響，將元件 結構固定為ITO glass / TiO2 / CH3NH3PbI3、CH3NH3PbI2Br、CH3NH3PbI2Cl / P3HT / Al。其中 TiO2與無水乙醇體積比2：1 混合攪拌，以 5000 rpm，
10 s 條件下旋轉塗佈於 ITO 上，於 80℃下蒸乾 30min 移除水分。TiO2 層上方活性層部分塗佈參數，將活性層材料以1500 rpm 30 s，100℃退火 30min 條件下。重複旋轉塗佈 4 層數不經過退火處理，最後再比對 CH3NH3PbI3、CH3NH3PbI2Br、CH3NH3PbI2Cl 不同鹵化物所合成之光敏 化層材料對於元件特性之影響[77]。
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4.4.1 三種不同鹵化物之鈣鈦礦結構之 UV-Vis 光譜
將三種(CH3NH3PbI3、CH3NH3PbI2Br、CH3NH3PbI2Cl)光吸收層材料 結構，以1500 rpm spin coating 的方式於 ITO 玻璃上成薄膜，於 100℃退 火30min 後分析 UV-Vis 光譜影響。由圖 4.36 可看出主要吸收波峰強的 波長 CH3NH3PbI3( 505 nm)＞CH3NH3PbI2Br( 500 nm)＞CH3NH3PbI2Cl ( 490 nm)遞減。圖 4.35 觀察可看出 CH3NH3PbI3可吸收的波長範圍高於 CH3NH3PbI2Br 及 CH3NH3PbI2Cl，另外也確認 CH3NH3PbI2Cl 對短波長 ( 490 nm)有較強的吸收波峰。後續需再進一步經其它檢驗方式確認材料 元件效率。
圖4. 36 不同鹵化物成分之鈣鈦礦薄膜之紫外光-可見光吸收光譜
400 500 600 700 800 900 1000 1100
A bs orb an ce ( a. u. )
Wavelength(nm)
CH3NH3PbI2Cl CH3NH3PbI2Br CH3NH
3PbI 3
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4.4.2 不同鹵化物成分之鈣鈦礦結構對元件特性影響
本 節 主 要 比 較 光 敏 化 材 料 CH3NH3PbI3 、 CH3NH3PbI2Br 及 CH3NH3PbI2Cl三種吸光層對元件J-V特性的影響，將元件結構層順序固 定為ITO glass / TiO2 / CH3NH3PbI3、CH3NH3PbI2Br、CH3NH3PbI2Cl / P3HT / Al 進行元件製作。其中TiO2與無水乙醇體積比2：1混合攪拌，以 5000 rpm，10s條件下旋轉塗佈於ITO上，於60℃下蒸乾水分30 min。再 將敏化層材料以1500 rpm，30s條件下旋塗4層。完成後再於100℃退火 30min，製作成元件，探討三種不同敏化層材料元件的光電特性。其元 件J-V特性曲線如圖 4.37，而其J-V特性及其效率整理於表 4-7。
由表 4-7 可看出，以CH3NH3PbI2Cl為吸光層時，元件之FF%值皆有 些微高於CH3NH3PbI2Br、CH3NH3PbI3的趨勢，電子遷移率會大大提升，
但相對的電洞遷移率也會下降，鈣鈦礦合成物其中一個鹵化物元素由I 被取代成Br或Cl時，因分子間電負度之差異( 氯 > 溴 > 碘 )，會較容 易誘導性拉電子，導致CH3NH3PbI2Cl為光敏化層時在短波長時吸收峰較 強，但也相對造成長波長時吸收峰較低。
綜合以上特性及檢測值可得知，吸光層由 CH3NH3PbI2Cl組成時的 元件，具有較佳之最佳轉換效率表現 1.99 %。
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表4- 7 CH3NH3PbI3/CH3NH3PbI2Br /CH3NH3PbI2Cl 元件結構之 J-V 特性 Voc (V) Jsc (mA/cm2) FF (%) η (%)
CH3NH3PbI3
0.67 5.10 45.36 1.54
CH3NH3PbI2Br
0.73 5.17 45.40 1.72
CH3NH3PbI2Cl
0.83 5.23 45.95 1.99
圖4. 37 三種不同鹵化物成分之鈣鈦礦結構元件之 J-V 曲線
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
0 1 2 3 4 5 6
J ( m A / c m
2)
V ( V )
CH 3 NH 3 PbI 2 Cl
CH 3 NH 3 PbI 2 Br
CH 3 NH 3 PbI 3
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1.82 eV及1.92 eV，與300-800 nm之吸收波段，證實鈣鈦礦吸光敏化材 料的導入可有效的降低能隙並延伸吸收範圍。