經(jīng)過短短幾年的發(fā)展,鈣鈦礦太陽能電池便得到了廣泛的關(guān)注,這是由于鈣鈦礦太陽能電池具有消光系數(shù)高、雙極性載流子輸運(yùn)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)簡單和利于規(guī)�；a(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。目前,鈣鈦礦電池的光電轉(zhuǎn)換效率獲得了極大提升,足以和商業(yè)化的硅基太陽能電池相媲美。但是,鈣鈦礦電池仍然存在光譜響應(yīng)范圍窄、薄膜表面缺陷多、對濕度敏感穩(wěn)定性差和界面電荷傳輸效率低等缺點(diǎn)。因此,需要調(diào)節(jié)鈣鈦礦帶隙、優(yōu)化鈣鈦礦結(jié)晶和形貌、引入疏水材料、降低電荷輸運(yùn)能量損失,拓展其響應(yīng)光譜范圍、降低薄膜表面缺陷,提高疏水性和穩(wěn)定性并加速電荷輸運(yùn)效率。通過調(diào)節(jié)鈣鈦礦帶隙的方式對拓寬鈣鈦礦光譜響應(yīng)范圍進(jìn)行了研究。在鈣鈦礦中引入帶隙較窄,離子半徑較大的碘化甲脒,使鈣鈦礦晶格膨脹,將鈣鈦礦的光譜響應(yīng)拓展至近紅外區(qū)域。當(dāng)引入的窄帶隙物質(zhì)比例過大時,會引起電池開路電壓的衰減。因此,引入新的溴元素,在對光譜吸收影響較小的前提下調(diào)節(jié)鈣鈦礦晶格常數(shù),實(shí)現(xiàn)開路電壓的提升。結(jié)果表明,電池光譜響應(yīng)拓寬至近紅外區(qū)域,開路電壓增大,電池的光電轉(zhuǎn)效率也由12.6%提升至14.8%。借助構(gòu)筑配位聚合物修飾鈣鈦礦吸光層的手段減少了鈣鈦礦缺陷。利用溶劑熱法合成以含氮雜環(huán)鄰菲羅啉為有... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：146 頁

【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

一步法、兩步法、氣相沉積法制備鈣鈦礦示意圖[42,43]

由可見光拓展至850nm的近紅外光區(qū)域[83]，如圖1-7所示。但是，甲脒陽離子半徑較大，會使鈣鈦礦晶格發(fā)生膨脹，帶隙隨之降低，因此制備電池的短路電流密度得到提高，但開路電壓卻有所降低。對于B位金屬離子的研究表明，金屬離子和鹵素間的鍵角對鈣鈦礦的帶隙有著十分重要的影響，鍵角增大，帶隙降低。Barry等人利用Sn對Pb進(jìn)行部分取代，通過調(diào)節(jié)二者的比例實(shí)現(xiàn)了材料對近紅外光譜響應(yīng)的調(diào)節(jié)[84]。但是，摻入部分Sn會導(dǎo)致鈣鈦礦薄膜質(zhì)量嚴(yán)重下降，而Sn對制備工藝和環(huán)境相當(dāng)敏感，要求較高，限制了這一研究方向的發(fā)展。圖1-7FAPbI3鈣鈦礦電池示意圖[83]Figure1-7SchematicofFAPbI3perovskitesolarcell[83]X位的鹵素原子同樣對鈣鈦礦的晶格常數(shù)有著重要影響，當(dāng)X原子半徑增大時，可以降低與Pb之間的作用力，提高對長波長區(qū)域的光響應(yīng)，因此可以摻雜鹵素原子調(diào)節(jié)鈣鈦礦的吸收光譜。Chen等人通過調(diào)節(jié)鈣鈦礦中I、Br、Cl元素的比例，實(shí)現(xiàn)了對鈣鈦礦開路電壓和光電性能的調(diào)節(jié)[85]。Nan等人通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Cl元素的摻雜幾乎不會影響鈣鈦礦的光譜吸收，這是由于Cl元素很難進(jìn)入鈣鈦礦的三維結(jié)構(gòu)，在鈣鈦礦薄膜熱處理退火過程中Cl往往容易離開晶格，因此Cl元素的摻雜只起到了改變晶體生長并影響鈣鈦礦最終的形貌和缺陷的作用[86]。但是，由于摻雜Cl元素后缺陷減少，會增加載流子的擴(kuò)散長度。除了對鈣鈦礦結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)外，通過增加電池中光散射現(xiàn)象，增加光在電池內(nèi)部的傳輸路徑和時間也是提高鈣鈦礦光譜利用率的有效方法。Montoya課題研究表明增加鈣鈦礦吸光層的表面粗糙度，可以有效利用入射光并增大光在電池內(nèi)部的傳輸路徑，提高鈣鈦礦電池的光電轉(zhuǎn)換效率[87]。優(yōu)化鈣鈦礦薄膜的形貌和結(jié)晶度，可以從鈣鈦礦制備過程入手，調(diào)節(jié)鈣鈦礦的退?

第1章緒論13的成果。鈣鈦礦的退火環(huán)境會對鈣鈦礦的形貌產(chǎn)生重要影響，Ghahremani等人研究了是否退火與鈣鈦礦薄膜質(zhì)量和電池光電性能的關(guān)系，確定了鈣鈦礦薄膜高溫退火過程的必要性[88]。Merdasa等人通過對鈣鈦礦薄膜退火溫度的研究，發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦在高溫退火過程中發(fā)生了溶劑的蒸發(fā)和鈣鈦礦的結(jié)晶，由于鈣鈦礦性質(zhì)不夠穩(wěn)定，會產(chǎn)生過量的PbI2，研究深入分析了過量PbI2對鈣鈦礦性能產(chǎn)生的作用機(jī)理，對鈣鈦礦的制備產(chǎn)生了重要影響[89]。同時，對于退火的氛圍，一批學(xué)者進(jìn)行了深入探索，發(fā)現(xiàn)在γ-丁內(nèi)酯(GBL)、二甲基亞砜(DMSO)、1-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)等不同的退火環(huán)境下，鈣鈦礦表現(xiàn)出不同的結(jié)晶度和形貌[90-92]，和對照組相比，退火處理后的鈣鈦礦薄膜粒徑增大，粗糙度也有所提升，如圖1-8所示，不同退火氛圍的處理能夠減少鈣鈦礦缺陷，有利于載流子的分離和輸運(yùn)，提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。圖1-8NMP修飾鈣鈦礦電池示意圖[92]Figure1-8SchematicofNMPmodifiedperovskitesolarcell[92]溶劑會直接影響鈣鈦礦的結(jié)晶和形貌。戴松元課題組在兩步法制備鈣鈦礦的過程中，將適量1-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)和二甲基乙酰胺(DMAC)，與二甲基亞砜(DMSO)混合，發(fā)現(xiàn)PbI2中的Pb可以與上述物質(zhì)配位，形成PbI2(DMSO)x、PbI2(NMP)x、PbI2(DMAC)x物質(zhì)[93]，通過優(yōu)化上述溶劑的比例，可以獲得不同形貌和結(jié)晶度的鈣鈦礦薄膜，為提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率提供參考。Park等人選擇2-甲氧基乙醇取代N,N-二甲基甲酰胺(DMF)作為鈣鈦礦制備過程中的溶劑，提高了鈣鈦礦薄膜覆蓋率，減少了鈣鈦礦薄膜的表面缺陷[94]。黃富志教授在一步法制備鈣鈦礦薄膜過程中，利用環(huán)境友好的正丁醇取代有毒的氯苯反溶劑，提高了鈣鈦礦

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]鈣鈦礦：下一個顛覆者？[J]. 李帥.  能源. 2019(10)
[2]鈣鈦礦/銀電極界面降解和離子遷移的原位研究（英文）[J]. 李雄,丁紅鶴,李貴航,王巖,方志敏,楊上峰,鞠煥鑫,朱俊發(fā).  Chinese Journal of Chemical Physics. 2019(03)

博士論文
[1]聚合物太陽能電池的界面修飾及性能優(yōu)化[D]. 黃帥.吉林大學(xué) 2019
[2]太陽能與燃煤互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)全工況設(shè)計優(yōu)化[D]. 王建星.華北電力大學(xué)(北京) 2019
[3]氫化二氧化鈦光電極的制備及其DSSC與PSC光電性能研究[D]. 蘇婷.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2017
[4]新型力致變色材料的設(shè)計、合成及應(yīng)用[D]. 王毅.吉林大學(xué) 2016

碩士論文
[1]建筑玻璃采光頂遮陽性能差異實(shí)驗(yàn)研究[D]. 李巖.華南理工大學(xué) 2019



本文編號：3360201