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，并實現了PEG 2000 含量對Cr-TiO2薄膜多孔結構及其光透射特性的有效調制。對基于該多孔Cr-TiO2納米薄膜組裝的Cr-TiO2 /P3HT 異質結光伏特性的研究結果表明，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異質結光伏器件的光電轉換效率。討論了PEG 2000對Cr-TiO2薄膜結構及Cr-TiO2/P3HT 異質結光伏特性的調制機理。實驗結果為無機-有機聚合物異質結光伏器件的研究提供了基礎實驗數據。

1、引言

　　進入21世紀，能源問題已日益成為制約國際社會經濟發展的瓶頸，合理開發和利用太陽能資源對緩解能源危機、推動社會發展有著重大的現實意義。太陽能電池是能夠將光能轉換為電能的器件。目前，雖然所開發的聚合物太陽能電池效率仍普遍較低，且性能還不穩定，但具有質量輕、可利用廉價大面積制備技術( 如旋轉涂膜、噴墨打印等) 制成柔性好、成本低的特種形狀器件并可望實現全塑化等優點，聚合物陽能電池已成為光伏研究中最為活躍的領域之一。由無機半導體和聚合物材料組成的無機-有機異質結聚合物太陽能電池是當前該領域的研究熱點之一。寬禁帶半導體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陽極氧化法、水熱法和靜電紡絲等方法設計制備了各種形貌結構的TiO2材料，如納米管、納米球和納米纖維等，并在聚合物太陽能電池中的應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，而對占太陽光譜總能量約45%的可見光幾乎不響應，這嚴重制約了該類聚合物光伏器件光電轉換效率的進一步提高。對此，選用適當的無機元素對TiO2進行摻雜改性是拓展其對可見光譜響應范圍的有效途徑，常用的摻雜劑有過渡金屬、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的可見光譜響應特性，目前已有研究工作將Cr 摻雜的TiO2應用于光催化領域并取得了較好的研究成果。

　　在已有研究工作的基礎上，采用簡便的溶膠-凝膠法，通過在溶膠中加入不同量的PEG 2000，制備了形貌結構與光透射特性同時可控的多孔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)結合，制備了Cr-TiO2/P3HT 無機-有機聚合物異質結結構，細致研究了該結構的光電轉換特性及其與Cr-TiO2薄膜結構間的相關性。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異質結光伏器件的光電轉換效率提高26%。該研究結果對拓展基于摻雜TiO2的無機-有機光電器件的應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，即可得到多孔結構的Cr-TiO2納米薄膜。

2.2 FTO/Cr-TiO2/P3HT/Cu異質結光伏器件的制備

　　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，使玻璃態溫度下呈液態的P3HT 在多孔Cr-TiO2膜中充分浸潤，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 異質結薄膜結構的聚合物光伏器件。

2.3、樣品的形貌與性能表征

　　用場發射掃描電鏡( FE-SEM，JSM-6701F，Japan) 表征了多孔Cr-TiO2納米薄膜的形貌結構; 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-近紅外分光光度計( vis-NIR，Perkin Elmer Lambda 900 spectrometer)測試了多孔Cr-TiO2納米薄膜的光透射特性; 用半導體器件測試系統(Keithley 4200) 研究了光伏器件的光電轉換特性。

4、結論

　　采用溶膠-凝膠法，通過在溶膠中加入PEG 2 000，制出了具有多孔結構的Cr 摻雜TiO2( Cr-TiO2) 納米薄膜，并通過改變溶膠中PEG 2000 的含量實現了對Cr-TiO2薄膜多孔結構及其光透射特性的有效調制.基于系列多孔Cr-TiO2納米薄膜，組裝并研究了Cr-TiO2 /P3HT 異質結聚合物光伏器件的光電轉換特性，結果表明，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于提高器件的短路電流密度進而改善其光電轉換效率十分有益，這歸因于多孔的薄膜結構能夠增大Cr-TiO2 /P3HT 異質結界面，同時其強的光散射效應有助于提高Cr-TiO2 /P3HT 對入射光子的利用率。用實驗研究結果能夠為無機-有機聚合物異質結光伏器件的研究提供了基礎實驗數據，具有一定的實際意義。