【摘要】：伴隨著社會(huì)的高速發(fā)展和科技的飛速進(jìn)步,人類對(duì)于能源的消耗與日俱增,進(jìn)而對(duì)能源的需求也日漸迫切。因此,尋求可再生的、對(duì)環(huán)境友好的新型清潔能源已經(jīng)迫在眉睫。太陽(yáng)能作為世界上最豐富的清潔能源,其取之不盡的特點(diǎn)完全可以滿足全球范圍內(nèi)日益增長(zhǎng)的能源需求。而基于光生伏特效應(yīng)的太陽(yáng)能電池是利用太陽(yáng)能非常有效的一種方式,也成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。近幾年,一種新型的基于有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦材料的太陽(yáng)能電池異軍突起,其光電轉(zhuǎn)換效率突飛猛進(jìn),從2009年的3.8%已經(jīng)提升到了如今的23%以上,已經(jīng)能夠與商業(yè)用的硅基太陽(yáng)能電池相媲美。由于其展現(xiàn)出如此優(yōu)異的性能,鈣鈦礦太陽(yáng)能電池也被認(rèn)為很有希望在未來(lái)取代目前的硅基電池,成為太陽(yáng)能電池市場(chǎng)的主力軍。雖然鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的前景非常好,但是它的穩(wěn)定性問(wèn)題仍然制約著其向商業(yè)化的進(jìn)程。因此,本論文主要圍繞鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行了如下的研究:第一,TiO_2作為鈣鈦礦電池中廣泛使用的電子傳輸材料,在長(zhǎng)時(shí)間的紫外光照射后,其表面的氧空位很容易從鈣鈦礦材料中的I~-離子捕獲電子,使得鈣鈦礦薄膜發(fā)生分解,從而導(dǎo)致器件的性能下降。熒光碳點(diǎn)作為碳納米材料中的新成員,具有可調(diào)的光學(xué)性能,優(yōu)異的電學(xué)性能,尤其在紫外區(qū)域具有很強(qiáng)的吸收并且能夠轉(zhuǎn)換為藍(lán)光。我們通過(guò)在介孔TiO_2中引入熒光碳點(diǎn),有效地將紫外光轉(zhuǎn)換為藍(lán)光,被后面的鈣鈦礦層吸收,既緩解了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光照穩(wěn)定性問(wèn)題,又提升了器件的光電轉(zhuǎn)換效率。通過(guò)對(duì)引入的熒光碳點(diǎn)濃度的優(yōu)化,最終鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率從14.6%提升到16.4%。同時(shí),經(jīng)過(guò)12個(gè)小時(shí)的全光譜照射后,引入熒光碳點(diǎn)的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率仍可以維持近70%的初始效率,而沒(méi)有引入熒光碳點(diǎn)的器件只能保持20%的初始效率。這一結(jié)果證明,將理想的下轉(zhuǎn)換發(fā)光材料引入到鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中是提高器件光伏性能和光照穩(wěn)定性的一種很有前途的方法。第二,除了熒光碳點(diǎn)之外,下轉(zhuǎn)換熒光材料YVO_4:Eu~(3+),Bi~(3+)在220納米到350納米這一紫外區(qū)域也有著很強(qiáng)的吸收,同時(shí)能夠?qū)⑵滢D(zhuǎn)換成紅光,與鈣鈦礦層的吸收范圍相匹配。我們將YVO_4:Eu~(3+),Bi~(3+)摻入到介孔TiO_2之中,通過(guò)YVO_4:Eu~(3+),Bi~(3+)的熒光下轉(zhuǎn)換過(guò)程,有效抑制了紫外光對(duì)于鈣鈦礦薄膜的破壞,同時(shí)提高了太陽(yáng)光的利用率。通過(guò)對(duì)YVO_4:Eu~(3+),Bi~(3+)摻雜濃度的調(diào)控,制備出了光電轉(zhuǎn)換效率為17.9%的器件,相比于參比器件,其光電轉(zhuǎn)換效率提高了9.8%。此外,器件在60個(gè)小時(shí)的連續(xù)紫外光照射下,其光電轉(zhuǎn)換效率仍能保持初始效率的70%,這要比沒(méi)有摻入YVO_4:Eu~(3+),Bi~(3+)的器件提升了很多。第三,鈣鈦礦薄膜質(zhì)量的高低對(duì)于器件的穩(wěn)定性與性能也起到至關(guān)重要的影響。我們通過(guò)在鈣鈦礦前驅(qū)體溶液中引入氯化鋅來(lái)提升鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量,并且系統(tǒng)的研究了氯化鋅的摻雜對(duì)于鈣鈦礦薄膜的結(jié)構(gòu),光學(xué)性質(zhì)以及器件的性能的影響。通過(guò)優(yōu)化氯化鋅的摻雜濃度,我們制備出了具有大尺寸晶粒并且形貌更優(yōu)的鈣鈦礦薄膜,基于此的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率從16.4%提升到了18.2%。更重要的是,相比于沒(méi)有摻雜氯化鋅的器件而言,鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在氯化鋅摻雜之后表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性,在放置30天之后,其光電轉(zhuǎn)換效率僅僅下降了7%左右。因此,我們認(rèn)為在鈣鈦礦薄膜中引入合適的添加劑來(lái)控制形貌,可以有效地提升鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性和光電轉(zhuǎn)換效率。第四,我們利用電子束蒸發(fā)的方式,制備了Ce摻雜的TiO_2作為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的電子傳輸層,由于Ce離子的摻雜,提升了電子從鈣鈦礦層向TiO_2層的遷移能力�；诖说拟}鈦礦器件的光電轉(zhuǎn)換效率從17.98%提升到了19.36%。此外,為了提升器件的光照穩(wěn)定性,我們又在器件的入射光一側(cè)覆蓋了鈣鈦礦量子點(diǎn),由于鈣鈦礦量子點(diǎn)在紫外區(qū)域具有很強(qiáng)的吸收,通過(guò)熒光下轉(zhuǎn)換過(guò)程轉(zhuǎn)換為綠光。因此降低了紫外光對(duì)于器件的影響。通過(guò)優(yōu)化旋涂次數(shù),器件的光電轉(zhuǎn)換效率進(jìn)一步提升到20.02%,同時(shí)光照穩(wěn)定性也有著大幅度的提升,在連續(xù)100個(gè)小時(shí)的紫外光照射后,器件的效率仍能維持初始效率的80%以上。此外,利用Al_2O_3對(duì)于器件進(jìn)行外部封裝,大幅度提升了器件的長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定性,在放置1000個(gè)小時(shí)后,器件的光電轉(zhuǎn)換效率僅僅下降了2%。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM914.4
【圖文】：

1.1 太陽(yáng)能電池伴隨著社會(huì)的高速發(fā)展和科技的飛速進(jìn)步，人類對(duì)于能源消耗與日俱增，進(jìn)而對(duì)能源的需求也日漸迫切。近幾十年來(lái)，以煤炭，石油等為主的不可再生的傳統(tǒng)化石能源被廣泛的應(yīng)用于人們的生產(chǎn)生活之中，人們?cè)谙硎芸萍忌畹耐瑫r(shí)，隨之衍生的能源危機(jī)以及環(huán)境污染等問(wèn)題，越來(lái)越受到人們的重視。因此，尋求可再生的、對(duì)環(huán)境友好的新型清潔能源已經(jīng)迫在眉睫。繼而，以利用水能、風(fēng)能、地?zé)崮堋⒊毕�、太�?yáng)能等新型清潔能源的探索與開(kāi)發(fā)的裝置和器件應(yīng)運(yùn)而生。這其中，太陽(yáng)能作為世界上最豐富的清潔能源，其取之不盡的特點(diǎn)完全可以滿足全球范圍內(nèi)日益增長(zhǎng)的能源需求，因而基于以太陽(yáng)能為能源轉(zhuǎn)換的裝置備受關(guān)注。而作為將太陽(yáng)能有效利用的一種重要手段，制備基于光生伏特效應(yīng)的太陽(yáng)能電池，也成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

鈣鈦礦材料簡(jiǎn)介鈣鈦礦(perovskite)這種材料最早是在 1839 年由科學(xué)家 Rose 在俄羅山的矽卡巖中發(fā)現(xiàn)，后以俄羅斯地質(zhì)學(xué)家 Perovskite 的名字命名，為 CaTiO3[13]。一般狹義的鈣鈦礦指的就是這種礦物質(zhì)本身，而廣義上所說(shuō)的鈣鈦具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)類型的 ABX3型化合物，其結(jié)構(gòu)如圖 1.2 所示，其中離子占據(jù)正方體的八個(gè)頂點(diǎn) (0，0，0)，B 位的陽(yáng)離子位于正方體(1/2，1/2，1/2)，X 位的陰離子占據(jù)六面體的面心位置(1/2，1/2，礦結(jié)構(gòu)一個(gè)很重要的特點(diǎn)就是半徑大小相差很大的離子也能夠穩(wěn)定一結(jié)構(gòu)內(nèi)。這就導(dǎo)致了在 A，B 和 X 位能夠選取的元素種類和數(shù)量這也導(dǎo)致具有鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的化合物的種類十分廣泛。

是在分子尺度的復(fù)合，因此能夠?qū)⒂袡C(jī)結(jié)合起來(lái)。例如最常見(jiàn)的 CH3NH3PbI3這種材料，收帶邊為 800 納米，可以吸收整個(gè)可見(jiàn)光內(nèi)的光子cm)。除此之外，這種材料還具有良好的雙極性載輸電子和空穴[14-18]。因此，有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦材作為吸光層被使用，而基于這種材料的太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能電池的組成部分陽(yáng)能電池的基本組成如圖 1.3 所示，由下到上分別TO 電極，電子傳輸層(ETMs)，鈣鈦礦吸光層(PerTMs)以及背電極(Metal electrode)。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 喬治;冀建利;張彥立;劉虎;李同鍇;;Influence of interface states, conduction band offset, and front contact on the performance of a-SiC:H(n)/c-Si(p)heterojunction solar cells[J];Chinese Physics B;2017年06期

本文編號(hào)：2797280