發(fā)布時間：2020-09-01 06:59

　　 近年來,雖然CH_3NH_3PbI_3類鈣鈦礦太陽能電池發(fā)展迅猛,但是其在化學(xué)穩(wěn)定性方面的問題卻不容忽視。主要原因是離子遷移會導(dǎo)致CH_3NH_3PbI_3的I-V曲線異常滯后,從而大大降低了器件的穩(wěn)定性。因此,探索阻礙主要離子遷移的機理,對提高電池的穩(wěn)定性及設(shè)計出高性能的鈣鈦礦太陽能電池具有指導(dǎo)意義。本文選取了溴及銫離子分別替換碘離子和甲基銨陽離子,并且計算了相應(yīng)的鹵素空位和間隙離子的遷移勢壘,最后又利用密度泛函理論研究了替換后鈣鈦礦的光電性能等。本文的主要內(nèi)容如下:(1)用溴離子對CH_3NH_3PbI_3中的碘離子分別進行50%和100%替換,并針對鹵素離子分別設(shè)計空位和間隙離子缺陷,分別計算了CH_3NH_3PbI_3,CH_3NH_3PbBr_3和CH_3NH_3Pb(I_(0.5)Br_(0.5))_3三種鈣鈦礦中鹵素離子的遷移勢壘。結(jié)果表明溴替換能有效地增大鹵素離子的遷移勢壘,從而抑制鹵素離子的遷移;(2)分別計算溴替換后的三種鈣鈦礦的帶結(jié)構(gòu)和光吸收系數(shù),結(jié)果表明,CH_3NH_3Pb(I_(0.5)Br_(0.5))_3和CH_3NH_3PbBr_3的帶隙均比CH_3NH_3PbI_3的帶隙有所增大,而光吸收性能均不同程度的劣于CH_3NH_3PbI_3。這表明用溴對碘離子進行部分替換,可在保持光電性能基本穩(wěn)定的同時提高材料的穩(wěn)定性;(3)用銫離子對CH_3NH_3PbI_3中的甲基銨陽離子進行半替換和全部替換。結(jié)果表明,三種鈣鈦礦的帶結(jié)構(gòu)及帶隙值都十分相近,而且光吸收能力也基本相同。雖然用銫進行全替換不能有效地增大碘離子的遷移勢壘,但是半替換的銫卻能夠大幅度增加碘離子的遷移勢壘,從而抑制碘離子的遷移。
【學(xué)位單位】：中國石油大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TM914.4;TB34
【部分圖文】：

第1 章 緒論發(fā)展軌道。僅一年以后,電池的效率就已經(jīng)超過 15%，并順利躋身于當年《科學(xué)》雜志刊登的十大科學(xué)突破。2014 年, Yang 等人另辟蹊徑，它們將制備工藝進行優(yōu)化，成功地將器件的能量轉(zhuǎn)換效率提升到了 19.3%。再后來, 韓國 KRICT 研究所報道的鈣鈦礦電池的光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達到 20.1%，這種火箭般的發(fā)展速度已經(jīng)充分彰顯出了鈣鈦礦的巨大潛力。截止到 2018 年，經(jīng)過認證的鈣鈦礦太陽能電池的效率已經(jīng)超過 22%[5-13]，各太陽能電池的發(fā)展趨勢如圖 1.1 所示。鈣鈦礦太陽能電池的迅猛發(fā)展是前所未有的，這必須得到太陽能電池領(lǐng)域的研究者的高度重視。

- 4 -圖 1.2 鈣鈦礦太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)(a)和典型 ABX3型立方晶體結(jié)構(gòu)(b)Fig 1.2 The structure of the perovskite solar cells (a) and cubic perovskite crystalstructure (b)[30-31]圖 1.2(a)為鈣鈦礦太陽能電池的構(gòu)成和基本工作原理。如果從材料在電池中所起的作用來看，該電池可分為五部分，分別為 FTO 導(dǎo)電玻璃、電子傳輸層（致密的 TiO2薄膜）、鈣鈦礦吸光層、空穴傳輸層以及金屬對電極層。一般情況下，研究人員會首先將一層多孔納米 TiO2沉積在導(dǎo)電基底 FTO 上，然后在二氧化鈦上面附著一層 CH3NH3PbX3類鈣鈦礦材料，緊接著在這層材料上方沉積一種 p 型材料

它并不占據(jù)其中的主導(dǎo)地位，而替換鉛是更加不明智的做法，因為鉛的存在是鉛鈣鈦礦效率高的關(guān)鍵因素[43-45,47-48,49-50]，而且鉛骨架的存在也是此類鉛碘鈣鈦礦定性的重要保證。多數(shù)研究表明，碘離子的存在和容易遷移更可能是鉛碘鈣鈦礦低穩(wěn)定性的根。考慮到溴離子和碘離子為同一主族元素，而且碘離子的離子半徑要遠大于溴離，可能是鉛碘鍵不穩(wěn)定的來源，而且溴和碘的性質(zhì)較為相似，用溴替換碘可能不在很大程度上影響鉛碘鈣鈦礦的光吸收能力。雖然在實驗上也有很多關(guān)于離子換或者摻雜的研究，而且結(jié)論也不盡相同，甚至可能會大相徑庭，但是在理論上溴來替換碘并進行相關(guān)離子遷移的計算還是少之又少，尤其是在混合鹵素鈣鈦中。因此，我們初步選擇用溴對碘離子進行部分替換和全替換，并且計算相應(yīng)的子遷移勢壘，在理論上研究溴替換是否能夠減弱碘離子的遷移，進而對提高鉛碘鈦礦的穩(wěn)定性有所幫助。

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