刮涂法制備大面積鈣鈦礦薄膜及器件性能研究
發(fā)布時間：2021-10-21 02:10
太陽能作為一種綠色的可再生能源,逐漸成為了最有前景的能源之一。目前,金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池作為發(fā)展最為迅速的第三代光伏技術,在科學界和工業(yè)界得到了廣泛關注。迄今為止,小面積（～0.1 cm2）鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率已超過25%,與商用的硅太陽能電池相媲美。但是大多數(shù)經(jīng)過認證或報道的高效鈣鈦礦光伏器件,其制備方法的局限性導致器件有效面積較小,并且隨著有效面積的擴大,器件效率呈明顯的下降趨勢,這制約了鈣鈦礦光伏器件的商業(yè)化化進程。超過平方厘米量級的大面積器件的制備、性能和穩(wěn)定性等問題迫切需要深入研究。本論文主要針對當前鈣鈦礦器件在大面積制備及穩(wěn)定性等方面的問題,采用了與工業(yè)化生產(chǎn)相兼容的刮涂法,制備了高質(zhì)量的大面積鈣鈦礦薄膜,通過工藝優(yōu)化、結(jié)晶控制以及缺陷鈍化等策略,顯著改善了薄膜刮涂制備過程中的結(jié)晶質(zhì)量,獲得了光伏性能優(yōu)異的鈣鈦礦太陽能電池,這對高效鈣鈦礦器件的低成本大面積制備具有重要意義。具體研究內(nèi)容如下:（1）MAPbI3鈣鈦礦薄膜刮涂工藝優(yōu)化及大面積鈣鈦礦太陽能電池制備。首先,我們自主設計搭建了薄膜刮涂生長平臺,并探討了刮涂過...
【文章來源】：濟南大學山東省
【文章頁數(shù)】：81 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
美國國家可再生能源實驗室（NREL）認證光伏電池效率紀錄表[2]
的帶隙逐漸降低，因此可以通過改變鹵素原子種類實現(xiàn)對鈣鈦礦材料帶隙的連續(xù)可調(diào)[6,7]。近些年，鈣鈦礦太陽能電池最常用的材料是有機-無機雜化金屬鹵化物鈣鈦礦，其中甲胺鉛碘CH3NH3PbI3（MAPbI3）在眾多鈣鈦礦材料中脫穎而出，該材料作為一種直接帶隙半導體具有優(yōu)異的光電性能，如較高的吸收系數(shù)、長的載流子擴散長度、雙極性傳輸以及較低的激子結(jié)合能等特點，同時其禁帶寬度大約為1.55eV，接近單節(jié)太陽能電池的最優(yōu)理論帶隙值，上述優(yōu)勢使基于MAPbI3材料的鈣鈦礦太陽能電池取得了較高的光電轉(zhuǎn)換效率[8,9]。圖1.2ABX3鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)示意圖。在溫度、壓力等外界條件以及摻雜的影響下，ABX3晶體結(jié)構(gòu)通常會產(chǎn)生畸變現(xiàn)象。鈣鈦礦材料的穩(wěn)定性主要由容忍因子（τ）來確定[10]，τ可由公式計算：τ=+√2(+)（1.1）rA,rB,rX分別指的是A離子、B離子、X離子的半徑。一般來說，當τ越接近1，ABX3鈣鈦礦結(jié)構(gòu)就越穩(wěn)定，其中τ=1時形成對稱性最高的立方結(jié)構(gòu)；當τ偏離1.0較多時，通常為三方晶系等低對稱結(jié)構(gòu)。研究表明結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的鈣鈦礦型化合物的容忍因子一般介于0.8-1.05之間。一般來說，隨著鈣鈦礦組分中離子半徑的增大，晶格膨脹，禁帶寬度也隨之變窄，熒光發(fā)光位置將會發(fā)生紅移。反之，若離子半徑減小，晶格收縮，禁帶寬
庾擁哪芰渴垢祁芽蠓腫蛹鄞?系牡繾釉廄?到導帶，產(chǎn)生不穩(wěn)定的光生載流子，即電子與空穴。隨后在電子傳輸層和空穴傳輸層的內(nèi)電場和外部偏壓的驅(qū)動下，電子與空穴向相反的方向擴散，電子空穴對分離，電子經(jīng)電子傳輸層傳輸?shù)浇饘匐姌O進一步傳輸?shù)酵怆娐�，而空穴則經(jīng)過空穴傳輸層到達透明電極，形成一個完整回路。材料的帶隙較高將不利于光子吸收，因此不能產(chǎn)生足夠大的光電流[13]。帶隙較低有利于材料對光子的吸收，相應的光電流也會增大，但過低的帶隙會導致器件的開路電壓較小[14]，因此最佳的帶隙范圍介于1.1-1.4eV。圖1.3鈣鈦礦太陽能電池結(jié)構(gòu)及工作原理圖。1.2鈣鈦礦薄膜主要制備方法及進展隨著鈣鈦礦太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的不斷提高，對于鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量要求也在不斷提高。為了制備出高效率的鈣鈦礦器件，人們逐漸開發(fā)出多種制備鈣鈦礦薄膜的方法。目前高效率鈣鈦礦電池的制備都是基于實驗室水平的小面積薄膜制備方法，例如一
【參考文獻】：
期刊論文
[1]鈣鈦礦薄膜制備技術及其在大面積太陽電池中的應用[J]. 降戎杰,張雅潔,郭強,趙春艷,白一鳴. 微納電子技術. 2019(08)
[2]金屬表面等離子體增強半導體納米材料光催化機理研究進展[J]. 方明,譚小麗. 南通大學學報(自然科學版). 2019(02)
[3]鈣鈦礦太陽能電池的大面積成膜方法[J]. 吳存存,孫偉海,陳志堅,肖立新. 科學通報. 2017(14)
本文編號：3448037
【文章來源】：濟南大學山東省
【文章頁數(shù)】：81 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
美國國家可再生能源實驗室（NREL）認證光伏電池效率紀錄表[2]
的帶隙逐漸降低，因此可以通過改變鹵素原子種類實現(xiàn)對鈣鈦礦材料帶隙的連續(xù)可調(diào)[6,7]。近些年，鈣鈦礦太陽能電池最常用的材料是有機-無機雜化金屬鹵化物鈣鈦礦，其中甲胺鉛碘CH3NH3PbI3（MAPbI3）在眾多鈣鈦礦材料中脫穎而出，該材料作為一種直接帶隙半導體具有優(yōu)異的光電性能，如較高的吸收系數(shù)、長的載流子擴散長度、雙極性傳輸以及較低的激子結(jié)合能等特點，同時其禁帶寬度大約為1.55eV，接近單節(jié)太陽能電池的最優(yōu)理論帶隙值，上述優(yōu)勢使基于MAPbI3材料的鈣鈦礦太陽能電池取得了較高的光電轉(zhuǎn)換效率[8,9]。圖1.2ABX3鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)示意圖。在溫度、壓力等外界條件以及摻雜的影響下，ABX3晶體結(jié)構(gòu)通常會產(chǎn)生畸變現(xiàn)象。鈣鈦礦材料的穩(wěn)定性主要由容忍因子（τ）來確定[10]，τ可由公式計算：τ=+√2(+)（1.1）rA,rB,rX分別指的是A離子、B離子、X離子的半徑。一般來說，當τ越接近1，ABX3鈣鈦礦結(jié)構(gòu)就越穩(wěn)定，其中τ=1時形成對稱性最高的立方結(jié)構(gòu)；當τ偏離1.0較多時，通常為三方晶系等低對稱結(jié)構(gòu)。研究表明結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的鈣鈦礦型化合物的容忍因子一般介于0.8-1.05之間。一般來說，隨著鈣鈦礦組分中離子半徑的增大，晶格膨脹，禁帶寬度也隨之變窄，熒光發(fā)光位置將會發(fā)生紅移。反之，若離子半徑減小，晶格收縮，禁帶寬
庾擁哪芰渴垢祁芽蠓腫蛹鄞?系牡繾釉廄?到導帶，產(chǎn)生不穩(wěn)定的光生載流子，即電子與空穴。隨后在電子傳輸層和空穴傳輸層的內(nèi)電場和外部偏壓的驅(qū)動下，電子與空穴向相反的方向擴散，電子空穴對分離，電子經(jīng)電子傳輸層傳輸?shù)浇饘匐姌O進一步傳輸?shù)酵怆娐�，而空穴則經(jīng)過空穴傳輸層到達透明電極，形成一個完整回路。材料的帶隙較高將不利于光子吸收，因此不能產(chǎn)生足夠大的光電流[13]。帶隙較低有利于材料對光子的吸收，相應的光電流也會增大，但過低的帶隙會導致器件的開路電壓較小[14]，因此最佳的帶隙范圍介于1.1-1.4eV。圖1.3鈣鈦礦太陽能電池結(jié)構(gòu)及工作原理圖。1.2鈣鈦礦薄膜主要制備方法及進展隨著鈣鈦礦太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的不斷提高，對于鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量要求也在不斷提高。為了制備出高效率的鈣鈦礦器件，人們逐漸開發(fā)出多種制備鈣鈦礦薄膜的方法。目前高效率鈣鈦礦電池的制備都是基于實驗室水平的小面積薄膜制備方法，例如一
【參考文獻】：
期刊論文
[1]鈣鈦礦薄膜制備技術及其在大面積太陽電池中的應用[J]. 降戎杰,張雅潔,郭強,趙春艷,白一鳴. 微納電子技術. 2019(08)
[2]金屬表面等離子體增強半導體納米材料光催化機理研究進展[J]. 方明,譚小麗. 南通大學學報(自然科學版). 2019(02)
[3]鈣鈦礦太陽能電池的大面積成膜方法[J]. 吳存存,孫偉海,陳志堅,肖立新. 科學通報. 2017(14)
本文編號：3448037
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