采用溶膠-凝膠法，利用聚乙二醇2000(PEG 2000) ，成功制備了多孔Cr摻雜TiO2(Cr-TiO2) 納米薄膜，并實(shí)現(xiàn)了PEG 2000 含量對(duì)Cr-TiO2薄膜多孔結(jié)構(gòu)及其光透射特性的有效調(diào)制。對(duì)基于該多孔Cr-TiO2納米薄膜組裝的Cr-TiO2 /P3HT 異質(zhì)結(jié)光伏特性的研究結(jié)果表明，隨PEG 2000含量的增加，Cr-TiO2薄膜微孔孔徑及分布密度的增大有利于提高Cr-TiO2/P3HT異質(zhì)結(jié)光伏器件的光電轉(zhuǎn)換效率。討論了PEG 2000對(duì)Cr-TiO2薄膜結(jié)構(gòu)及Cr-TiO2/P3HT 異質(zhì)結(jié)光伏特性的調(diào)制機(jī)理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為無(wú)機(jī)-有機(jī)聚合物異質(zhì)結(jié)光伏器件的研究提供了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1、引言

　　進(jìn)入21世紀(jì)，能源問(wèn)題已日益成為制約國(guó)際社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸，合理開(kāi)發(fā)和利用太陽(yáng)能資源對(duì)緩解能源危機(jī)、推動(dòng)社會(huì)發(fā)展有著重大的現(xiàn)實(shí)意義。太陽(yáng)能電池是能夠?qū)⒐饽苻D(zhuǎn)換為電能的器件。目前，雖然所開(kāi)發(fā)的聚合物太陽(yáng)能電池效率仍普遍較低，且性能還不穩(wěn)定，但具有質(zhì)量輕、可利用廉價(jià)大面積制備技術(shù)( 如旋轉(zhuǎn)涂膜、噴墨打印等) 制成柔性好、成本低的特種形狀器件并可望實(shí)現(xiàn)全塑化等優(yōu)點(diǎn)，聚合物陽(yáng)能電池已成為光伏研究中最為活躍的領(lǐng)域之一。由無(wú)機(jī)半導(dǎo)體和聚合物材料組成的無(wú)機(jī)-有機(jī)異質(zhì)結(jié)聚合物太陽(yáng)能電池是當(dāng)前該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。寬禁帶半導(dǎo)體TiO2，是該類聚合物電池常用的電子受體材料，許多研究工作已通過(guò)陽(yáng)極氧化法、水熱法和靜電紡絲等方法設(shè)計(jì)制備了各種形貌結(jié)構(gòu)的TiO2材料，如納米管、納米球和納米纖維等，并在聚合物太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用和光伏特性研究方面取得了大量有益的研究成果。然而，寬帶隙的TiO2只能有效吸收紫外光，而對(duì)占太陽(yáng)光譜總能量約45%的可見(jiàn)光幾乎不響應(yīng)，這嚴(yán)重制約了該類聚合物光伏器件光電轉(zhuǎn)換效率的進(jìn)一步提高。對(duì)此，選用適當(dāng)?shù)臒o(wú)機(jī)元素對(duì)TiO2進(jìn)行摻雜改性是拓展其對(duì)可見(jiàn)光譜響應(yīng)范圍的有效途徑，常用的摻雜劑有過(guò)渡金屬、貴金屬、稀土元素，以及N、C、F、S等非金屬元素。其中，選擇金屬Cr 做摻雜劑，能夠很好的改善TiO2的可見(jiàn)光譜響應(yīng)特性，目前已有研究工作將Cr 摻雜的TiO2應(yīng)用于光催化領(lǐng)域并取得了較好的研究成果。

　　在已有研究工作的基礎(chǔ)上，采用簡(jiǎn)便的溶膠-凝膠法，通過(guò)在溶膠中加入不同量的PEG 2000，制備了形貌結(jié)構(gòu)與光透射特性同時(shí)可控的多孔Cr 摻雜TiO2納米薄膜，并作為電子受主材料，與作為電子施主材料的共軛聚合物聚3-己基噻吩(P3HT)結(jié)合，制備了Cr-TiO2/P3HT 無(wú)機(jī)-有機(jī)聚合物異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，細(xì)致研究了該結(jié)構(gòu)的光電轉(zhuǎn)換特性及其與Cr-TiO2薄膜結(jié)構(gòu)間的相關(guān)性。在研究工作中，相比致密Cr-TiO2膜，在溶膠中添加2.5%wt.(WPEG 2000/Cr) 的PEG 2000，可將基于多孔Cr-TiO2/P3HT異質(zhì)結(jié)光伏器件的光電轉(zhuǎn)換效率提高26%。該研究結(jié)果對(duì)拓展基于摻雜TiO2的無(wú)機(jī)-有機(jī)光電器件的應(yīng)用研究是非常有益的。

2、樣品制備與表征

2.1、多孔Cr摻雜TiO2納米薄膜的制備

　　多孔Cr 摻雜TiO2(Cr-TiO2)納米薄膜的制備采用溶膠-凝膠法。首先，將17.2 ml的鈦酸四丁脂逐滴加入68ml乙醇并攪拌30min，得到溶液A。將4.8 ml 乙二醇胺、0.9 ml 去離子水和10ml Cr( NO3)3·9H2O 的乙醇溶液(4%wt.) 均勻混合，制得溶液B。再將溶液B 逐滴混合至溶液A 并攪拌1h 后，加入一定量的聚乙二醇( PEG 2000) ，制備得到質(zhì)量百分比( WPEG /Cr) 分別為0、0.5、1.5 和2.5% wt. 的系列Cr-TiO2溶膠。而后，將上述Cr-TiO2溶膠分別旋涂( 4000 r/min) 在清洗干凈的FTO 導(dǎo)電玻璃基底上，室溫干燥后置于馬弗爐中，500℃退火2. 5h 后，即可得到多孔結(jié)構(gòu)的Cr-TiO2納米薄膜。

2.2 FTO/Cr-TiO2/P3HT/Cu異質(zhì)結(jié)光伏器件的制備

　　采用20mg /ml 的P3HT 甲苯溶液，旋涂在多孔FTO/Cr-TiO2薄膜上制備厚度約100 nm 的P3HT 聚合物膜，干燥后在氬氣氛( ～120Pa) 中180 ℃退火1.5 h，使玻璃態(tài)溫度下呈液態(tài)的P3HT 在多孔Cr-TiO2膜中充分浸潤(rùn)，并與Cr-TiO2形成良好的界面接觸。最后，在FTO/Cr-TiO2/P3HT 膜上蒸鍍金屬Cu 電極，制備得到FTO/Cr-TiO2/P3HT /Cu 異質(zhì)結(jié)薄膜結(jié)構(gòu)的聚合物光伏器件。

2.3、樣品的形貌與性能表征

　　用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡( FE-SEM，JSM-6701F，Japan) 表征了多孔Cr-TiO2納米薄膜的形貌結(jié)構(gòu); 用X 射線光電子能譜( XPS，PHI-5702) 分析了薄膜的元素組成; 用紫外-可見(jiàn)-近紅外分光光度計(jì)( vis-NIR，Perkin Elmer Lambda 900 spectrometer)測(cè)試了多孔Cr-TiO2納米薄膜的光透射特性; 用半導(dǎo)體器件測(cè)試系統(tǒng)(Keithley 4200) 研究了光伏器件的光電轉(zhuǎn)換特性。

4、結(jié)論

　　采用溶膠-凝膠法，通過(guò)在溶膠中加入PEG 2 000，制出了具有多孔結(jié)構(gòu)的Cr 摻雜TiO2( Cr-TiO2) 納米薄膜，并通過(guò)改變?nèi)苣z中PEG 2000 的含量實(shí)現(xiàn)了對(duì)Cr-TiO2薄膜多孔結(jié)構(gòu)及其光透射特性的有效調(diào)制.基于系列多孔Cr-TiO2納米薄膜，組裝并研究了Cr-TiO2 /P3HT 異質(zhì)結(jié)聚合物光伏器件的光電轉(zhuǎn)換特性，結(jié)果表明，隨PEG 2000 含量的增加而增大的Cr-TiO2薄膜微孔孔徑及分布密度對(duì)于提高器件的短路電流密度進(jìn)而改善其光電轉(zhuǎn)換效率十分有益，這歸因于多孔的薄膜結(jié)構(gòu)能夠增大Cr-TiO2 /P3HT 異質(zhì)結(jié)界面，同時(shí)其強(qiáng)的光散射效應(yīng)有助于提高Cr-TiO2 /P3HT 對(duì)入射光子的利用率。用實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果能夠?yàn)闊o(wú)機(jī)-有機(jī)聚合物異質(zhì)結(jié)光伏器件的研究提供了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，具有一定的實(shí)際意義。