【摘要】：從2009年開始,鈣鈦礦太陽(yáng)電池效率已經(jīng)從不足4%到提高到23.3%,可以和其他高效率太陽(yáng)電池相媲美。九年時(shí)間,鈣鈦礦太陽(yáng)電池完成了硅基電池近半個(gè)世紀(jì)的效率提升之路。效率上升如此之快,主要?dú)w因于其材料結(jié)構(gòu)的特殊性,在鈣鈦礦ABX3晶體結(jié)構(gòu)中,BX6構(gòu)成八面體,BX6之間通過(guò)共用的頂點(diǎn)X連接在一起,構(gòu)成三維骨架,A鑲嵌在八面體間隙中使得晶體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。此種結(jié)構(gòu)決定了鈣鈦礦優(yōu)良的光電特性;鈣鈦礦材料是具有較合適的禁帶寬度并可以通過(guò)摻雜不同元素來(lái)調(diào)節(jié)其帶隙位置、高光吸收系數(shù)、良好的載流子遷移率、極低的缺陷態(tài)密度、載流子壽命長(zhǎng)及載流子擴(kuò)散距離遠(yuǎn)等集諸多優(yōu)勢(shì)于一身的特殊材料。雖然鈣鈦礦太陽(yáng)電池發(fā)展如此之快,效率如此之高,但柔性鈣鈦礦太陽(yáng)電池的發(fā)展卻相對(duì)比較緩慢,歸其原因主要是電子傳輸層制備需要300～400℃退火,遠(yuǎn)超過(guò)柔性高分子材料的適用溫度極限。針對(duì)目前柔性鈣鈦礦電池電荷傳輸層的制備以及對(duì)大面積電池效率低等問(wèn)題,本論文主要做了以下研究工作:Ⅰ.研究了用不同方法制備鈣鈦礦太陽(yáng)電池電子傳輸層以及選擇電子束蒸發(fā)五氧化二鈮作為制備柔性鈣鈦礦太陽(yáng)電池的電子傳輸層。研究結(jié)果表明,化學(xué)浴沉積方法制備的二氧化鈦均勻性好且致密,是很好的電子傳輸層材料,制備鈣鈦礦電池可以得到18.15%的轉(zhuǎn)換效率。存在的問(wèn)題是化學(xué)浴沉積法得到的二氧化鈦仍需要200℃以上的高溫退火和UVO表面處理,與柔性高分子襯底不匹配。因此,僅用低溫工藝的真空沉積法是柔性電池的理想制備方法。電子束蒸發(fā)在制備金屬氧化物薄膜時(shí)有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì),我們選擇了電子束蒸發(fā)的方法,選擇不同材料來(lái)制備鈣鈦礦太陽(yáng)電池電子傳輸層,最終成功制備以五氧化二鈮薄膜為柔性鈣鈦礦太陽(yáng)電池電子傳輸層材料。Ⅱ.研究了利用電子束蒸發(fā)五氧化二鈮作為鈣鈦礦太陽(yáng)電池電子傳輸層,優(yōu)化制備工藝和完善電池制備過(guò)程。結(jié)果表明,不同厚度的Nb2O5薄膜呈現(xiàn)不同的光學(xué)性能和電學(xué)性能,在可見(jiàn)光范圍內(nèi),Nb205薄膜有非常優(yōu)異的透光率和極低的光吸收,是良好的電池窗口層材料,當(dāng)厚度為60nm時(shí)性能最佳,鈣鈦礦電池呈現(xiàn)最高18.59%的光電轉(zhuǎn)換效率。使用電子束蒸發(fā)Nb205樣品時(shí)襯底不需要加熱,可以將其應(yīng)川到柔性襯底上,在面積為0.09cm2和0.25cm2時(shí),柔性鈣鈦礦電池轉(zhuǎn)換效率分別達(dá)到15.56%和14.03%。Ⅲ.研究了利用甲硫醚(DS)為添加劑來(lái)改善鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量進(jìn)一步提高柔性鈣鈦礦太陽(yáng)電池效率。結(jié)果表明,添加劑DS能夠抑制鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶速度,提高薄膜結(jié)晶質(zhì)量。隨著添加劑體積的增加,電池效率明顯得到提高。究其原因,主要是因?yàn)殁}鈦礦薄膜的晶粒尺寸變大、結(jié)晶趨向變好、缺陷態(tài)密度降低和薄膜光電特性提高等。另外,當(dāng)添加劑體積過(guò)量時(shí),薄膜在限定時(shí)間內(nèi)不能完全結(jié)晶造成電池效率開始降低。經(jīng)過(guò)優(yōu)化得到,當(dāng)添加劑體積比為10%時(shí)獲得最佳效果,取得小面積柔性鈣鈦礦太陽(yáng)電池]8.4%的世界紀(jì)錄。Ⅳ.研究了利用辛硫醇作為添加劑修飾銫甲瞇基鈣鈦礦(Cs0.05FA0.95PbI3)吸收層進(jìn)一步提高太陽(yáng)電池效率。添加劑能有效的提高鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶質(zhì)量、增大晶粒尺寸、增加薄膜厚度、降低薄膜的缺陷態(tài)密度等。優(yōu)化不同體積比的添加劑濃度,獲得在體積比為10%時(shí),剛性鈣鈦礦太陽(yáng)電池22.43%的光電轉(zhuǎn)換效率。測(cè)試電池正反掃結(jié)果無(wú)明顯的差異,為了測(cè)試電池的穩(wěn)定性,我們將沒(méi)有經(jīng)過(guò)任何封裝的電池置于環(huán)境濕度30%的空氣中90天,測(cè)試其轉(zhuǎn)換效率仍能維持在原來(lái)效率的90%以上。
【圖文】：

．．圖１．１太陽(yáng)光輻射到地面的不同波譜圖逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｔｈｅ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｓｐｅｃｔｒｕｍ邋ｏｆ邋ｓｏｌａｒ邋ｃｅｌｌ邋ｒａｄｉａｔｉｏｎ邋ｏｎ邋ｔｈｅ邋ｇｒｏｕｎｄ．逡逑清潔能源…太陽(yáng)能電池逡逑，，

硅太陽(yáng)電池；第二類是多晶體系的太陽(yáng)電池，主要包括硫化鎘、碲化鎘、砷化鎵和逡逑銅銦鎵硒太陽(yáng)電池；第三類是新型太陽(yáng)電池，主要包括染料敏化太陽(yáng)電池、量子點(diǎn)逡逑太陽(yáng)電池、聚合物太陽(yáng)電池和鈣鈦礦太陽(yáng)電池［２５＿２９］。各種電池簡(jiǎn)單分類如圖１．３所逡逑示。每一種電池的制備成本決定了其應(yīng)用的方向，娃電池是最常見(jiàn)的太陽(yáng)電池，其逡逑成本相對(duì)較低，應(yīng)用范圍也廣。砷化鎵太陽(yáng)電池雖然轉(zhuǎn)化效率最高但是成本卻非常逡逑昂貴，所以限制了它的應(yīng)用，目前只有在航天航空領(lǐng)域可以用到。逡逑—Ｘ逡逑、、、、邋一邐一逡逑圖１．３太陽(yáng)電池分類逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋Ｔｈｅ邋ｃａｔｅｇｏｒｙ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｓｏｌａｒ邋ｃｅｌｌｓ逡逑根據(jù)太陽(yáng)電池的分類，現(xiàn)階段電池的效率差別及發(fā)展優(yōu)勢(shì)各不相同，如表ｕ逡逑所示，其中現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的主要是以硅基電池為主，但是亟待解決的問(wèn)題逡逑依然存在，現(xiàn)階段太陽(yáng)電池仍然面臨著高投資，回報(bào)周期長(zhǎng)且存在風(fēng)險(xiǎn)等問(wèn)題。而逡逑效率和長(zhǎng)期穩(wěn)定性是解決電池產(chǎn)業(yè)化最主要的參考元素，如何發(fā)展低成本、高效率逡逑且穩(wěn)定性好的太陽(yáng)電池才是解決產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)困難關(guān)鍵所在。當(dāng)然
【學(xué)位授予單位】：陜西師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TB383.2;TM914.4

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本文編號(hào)：2701004