奈米銀線對電極於正結構鈣鈦礦太陽能電池之應用

2016 年，Lee 與 Jun 等人[14]將溶液式製程製備之奈米銀線對電極應用於中孔 性正規結構之可撓性鈣鈦礦太陽能電池，並以可撓性鈦金屬基板作為下電極。由於 鈦金屬的表面易氧化成為鈦氧化物 (TiOx)，使鈦金屬與二氧化鈦 (TiO2) 粒子間形 成最佳界面。

針對對電極，他們在適當溫度下以噴閥式塗佈法將奈米銀線沉積在電洞傳輸 層 spiro-OMeTAD 上，並探討奈米銀線之溶劑異丙醇 (IPA) 對下層結構的影響。

其結果發現異丙醇會對鈣鈦礦層嚴重侵蝕，而spiro-OMeTAD 的存在可稍微減緩此 侵蝕，但仍舊有侵蝕現象的產生，如圖 2-9 與圖 2-10 所示。

圖 2-9 將鈣鈦礦層浸泡在 (a) 異丙醇一段時間後之形態變化、(b) 異丙醇一段時 間後之吸收頻譜變化與 (c) 乙醇 5 min 後之形態變化[14]

圖 2-10 將覆有 spiro-OMeTAD 之鈣鈦礦層浸泡在異丙醇一段時間後之 (a) 形態 變化與 (b) 光吸收頻譜變化[14]

其元件結構為 Ti/bl-TiO2/mp-TiO2/MAPbI3/spiro-OMeTAD/AgNWs，如圖 2-11 所示，光由AgNWs 面照射，光電轉換效率達 7.45 %，比起使用 ITO 作為對電極 之元件僅低了約1 %，其電流密度-電壓曲線圖比較如圖 2-12 所示。

圖 2-11 Lee 團隊之鈣鈦礦太陽能電池結構 (a) 示意圖與 (b) SEM 橫截面圖[14]

圖 2-12 Lee 團隊具 (a) AgNWs 對電極與 (b) ITO 對電極之鈣鈦礦太陽能電池的 電流密度-電壓曲線圖[14]

圖 2-13 Lee 團隊具 (a) AgNWs 對電極與 (b) ITO 對電極之鈣鈦礦太陽能電池其 光電轉換效率之穩定性[14]

元件經過100 次的彎曲測試後，以 AgNWs 為對電極之元件效率還維持在起使

效率之97.4 %，以 ITO 為對電極之元件效率卻大幅下降至原本的 70 %左右，如圖 2-13 所示，這證明了 AgNWs 網絡的可撓曲性質遠優於 ITO。

同年(2016 年)，Yang 與 Guo 團隊[15]將溶液式製程製備之奈米銀線對電極應 用於中孔性正規結構之鈣鈦礦太陽能電池，所使用的基板為FTO 玻璃基板，因此 不可撓曲。其於室溫常壓下以噴閥式塗佈製程沉積不同厚度之奈米銀線對電極，元 件之結構為FTO/bl-TiO2/mp-TiO2/MAPbI3/spiro-OMeTAD/AgNWs，如圖 2-14 所示。

最佳光電轉換效率為7.98 %，開路電壓為 1.01 V，短路電流密度為 20.8 mA/cm²， 填充因子為38.1 %。

圖 2-14 Yang 團隊之鈣鈦礦太陽能電池 (a) 結構示意圖與 (b) SEM 截面圖[15]

針對表現最好之元件，再使用已沉積AgNWs 之玻璃背板覆蓋 (Back cover) 於 AgNWs 電極上，並施以適當的壓力，開路電壓與填充因子分別從 1.01 V 與 38.1 % 顯著增加到1.16 V 與 43.7 %，光電轉換效率也從 7.98 %提高到 10.64 %，其電流 密度-電壓曲線圖如下。

圖 2-15 Yang 團隊以溶液式製程製備之 AgNWs 為對電極之鈣鈦礦太陽能電池有 無背蓋下電流密度-電壓曲線比較[15]

我們發現溶液式製程製備之奈米銀線對電極在正規結構之應用遠少於在倒置 結構上的應用，且最佳的元件光電轉換效率僅達10.64 %，並需要額外加上已沉積 AgNWs 之玻璃背板覆蓋 (Back cover) 才能達到。其效率偏低主要來自於低填充因 子，而元件電流密度-電壓曲線也呈現微 S 型，雖然在正規結構的兩篇文獻中並未 詳細說明，但由圖 2-9 與圖 2-10 推知，應該是由奈米銀線之溶劑異丙醇對於下方 結構侵蝕所造成。

相同的，在倒置結構中若未引入氧化鋅 (ZnO) 奈米顆粒與聚乙烯亞胺 (PEI) 等材料作為PC60/61BM 與 AgNWs 對電極間緩衝層，元件表現亦有低填充因子，甚 至無光伏效應等情形出現，如圖 2-8 所示。Guo 與 Brabec 團隊在其研究中提到，

一旦較多奈米銀線之溶劑與較薄之 PC60BM 薄膜接觸，就會觀察到試片從深棕色 立即轉變為黃色，表示溶劑快速擊穿PC60BM 並影響鈣鈦礦層。即使是以非常嚴格 調控下的快速乾燥噴閥式塗佈製程也無法完全避免鈣鈦礦層顏色變化。此外，所製 備的鈣鈦礦太陽能電池也幾乎沒有光伏行為，這可能是由於PC60BM 和 AgNWs 對 電極間的非歐姆接觸使電荷傳輸時產生障礙[8]。