【摘要】：進入21世紀以來,太陽能的有效利用一直被認為是解決現(xiàn)在能源危機的重要手段。在眾多光電轉換材料中,有機金屬鹵化物鈣鈦礦因其優(yōu)異的性質而得到廣泛關注。如何提高鈣鈦礦光電器件的性能以及拓展鈣鈦礦材料的應用范圍成為了現(xiàn)今重要的研究課題。多金屬氧酸鹽(多酸)是一類良好的電子受體,可以有效地捕獲半導體材料中的光生電子,促進電荷分離從而抑制光生電子-空穴的復合,并且多酸所含元素及結構的多樣性使其可作為多功能材料被引入光電器件中,提高光電轉換效率。本文將多酸作為修飾組分分別引入鈣鈦礦太陽能電池的電子傳輸層及介孔層中,提高電池器件的性能,并且開發(fā)了基于傳統(tǒng)結構的鈣鈦礦光電極,旨在將鈣鈦礦的優(yōu)異性能在光電催化領域得以應用,主要工作如下:1.為了解決全印刷無空穴傳輸層鈣鈦礦太陽能電池光電轉換效率較低的問題,我們將Keggin型多酸PMo_(12)引入SnO_2電子傳輸層(ETL)中,并將其替換電池中傳統(tǒng)的TiO_2ETL。由于PMo_(12)-SnO_2的電子遷移率遠高于TiO_2,并且PMo_(12)的摻雜會使SnO_2導帶位置適當下移,使得PMo_(12)-SnO_2具有更強的捕獲光生電子然后快速轉移到外電路的能力。以PMo_(12)-SnO_2為ETL的電池與基于TiO_2 ETL的電池相比,效率從10.1%提高到12.6%,與基于單純SnO_2 ETL的電池相比提高了28.5%。PMo_(12)-SnO_2因具有更強的疏水性和較低的燒結溫度,在提升電池穩(wěn)定性的同時降低了電池的制作成本。2.為了開拓有機金屬鹵化物鈣鈦礦材料在光電催化領域的應用,我們制備了一種簡易的基于傳統(tǒng)電極結構的鈣鈦礦光陽極�？紤]到該光陽極需要兼顧防水和傳輸光生空穴的功能,我們選用商用的導電碳糊和銀導電涂料對電極進行包覆,并將其應用于光電催化分解水。在不使用助催化劑的情況下,該光陽極在1.23 V_(RHE)取得了顯著的光電流密度12.4 mA/cm~2,法拉第效率達到80%以上。并且,該光陽極具有優(yōu)異的穩(wěn)定性,可在堿性電解液中穩(wěn)定存在48小時以上,在強酸/強堿電解質中連續(xù)工作時至少能保持12小時的穩(wěn)態(tài)響應。3.為了解決電池中鈣鈦礦層對于入射光利用率不足的問題,我們首次將含稀土元素的Weakley型多酸EuW_(10)作為具有光譜下轉換功能的材料引入全印刷鈣鈦礦太陽能電池介孔TiO_2中。EuW_(10)的摻入可以在鈣鈦礦層之前吸收高能光子,發(fā)射與鈣鈦礦層吸收相匹配的低能光子,從而激發(fā)更多的光生電子空穴對,使得電池具有更高的電流密度進而提高電池的光電轉換效率。經(jīng)過測試,基于EuW_(10)-TiO_2介孔層的電池效率最高值可超過14.5%,短路電流密度可達到23.46 mA/cm~2,與基于單純TiO_2介孔層的電池相比,EuW_(10)的引入使得電池的平均效率提高了25.7%。4.為了進一步拓展有機金屬鹵化物鈣鈦礦在光電催化領域的應用,我們制備了基于傳統(tǒng)結構的鈣鈦礦光陰極,并利用多酸PW_(12)誘導鈣鈦礦層發(fā)生奧斯瓦爾德熟化作用,增大了鈣鈦礦晶粒的尺寸,大幅度減少鈣鈦礦層的缺陷態(tài)密度,促進載流子傳輸,進而使光陰極的性能明顯提高。然后我們將此光陰極首次用于光電催化還原工業(yè)廢水中致癌的污染物Cr(Ⅵ),并獲得了顯著的催化效果。
【圖文】：

1mary energy demand growth and contributions by再生能源可分為太陽能、風能、水能、生物質能作為一種自然能源，以其儲量豐富且無污染工作者們的研究焦點[3,4]。這一廣闊的發(fā)展前景傳統(tǒng)能源帶來的壓力，并對目前的生態(tài)環(huán)境問

圖 1.4 Progress of perovskite solar cell efficiency from 2009 to 2018.硅系半導體之后新一代走向應用的光電轉換材料。1.3 有機金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池1.3.1 鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展歷程2009 年，Miyasaka 教授課題組首次將有機金屬鹵化物鈣鈦礦材料作為光敏劑引入染料敏化太陽能電池中[48]。他們使用介孔 TiO2層作為光陽極，以 I2/I-和 Br2/Br-的乙腈電解液作為氧化還原電對，分別獲得了 3.8%光電轉換效率。盡管器件效率不高，但是鈣鈦礦在可見光區(qū)較寬的吸收范圍以及高的開路電壓，顯示出這種鈣鈦礦材料作為光敏劑的巨大潛力。2011 年，，Park 課題組使用 CH3NH3PbI3量子點作為染料制備了敏化太陽能電池，通過優(yōu)化介孔 TiO2光陽極的條件及鈣鈦礦前驅體溶液濃度使電池的光電轉換效率提高到了 6.5%[64]。由于液態(tài)電解質會使鈣鈦礦分解從而導致電池穩(wěn)定性的不足，2012年，Park 和 Gr tzel 教授課題組合作研發(fā)了首個全固態(tài)鈣鈦礦太陽能電池。他們制備了改性的固態(tài) 2,2',7,7'-四（N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基）-9,9'-螺二芴（簡稱 spiro-MeOTAD）
【學位授予單位】：東北師范大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TM914.4;O643.36;O644.1

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本文編號：2638960