【摘要】：鈣鈦礦太陽能電池因其優(yōu)異的光電轉換效率和較低的制作成本成為近十年來研究的焦點。然而目前報道的高效鈣鈦礦太陽能電池均基于鉛基材料制備,并且穩(wěn)定性不夠理想,制約了鈣鈦礦電池的工業(yè)化生產(chǎn)�；诖�,本論文采用金屬元素鍶(Sr)取代鉛,制備出少鉛鈣鈦礦薄膜材料并組裝成電池,系統(tǒng)研究了Sr取代對鈣鈦礦材料微觀結構以及電池性能的影響規(guī)律,闡明了相應作用機理,并探討了電池的穩(wěn)定性。采用反溶劑輔助的一步旋涂法和兩步旋涂法,以SrI2為取代劑,制備了不同Sr取代量的鈣鈦礦薄膜并組裝成太陽能電池,利用掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線衍射(XRD)、時間分辨發(fā)光(TRPL)光譜等檢測手段系統(tǒng)研究了Sr取代對鈣鈦礦成膜以及電池性能的影響。結果表明,在反溶劑輔助的一步法中,Sr取代會影響中間相的成膜,導致鈣鈦礦薄膜的覆蓋率降低,缺陷密度升高。當Sr取代量從0增加到5 mol%時,器件的光電轉換效率從15.22%下降到6.37%。在兩步旋涂法中,適量的SrI2取代可以改變PbI2前驅體的化學成分,從而減少鈣鈦礦薄膜中殘余的PbI2含量,降低缺陷密度。當Sr取代量為10 mol%時,在AM 1.5G的太陽光照射下,鈣鈦礦太陽能電池效率達到1 5.52%。采用兩步旋涂法,以SrCl2為取代劑,制備了不同Sr Cl2取代量的少鉛鈣鈦礦薄膜并組裝成太陽能電池。利用XRD、SEM、吸收光譜、TRPL光譜、X射線光電子能譜(XPS)以及電化學阻抗譜(EIS)等檢測手段系統(tǒng)探究了Sr、Cl共取代對鈣鈦礦微觀形貌、成膜特性及其電池性能的影響。研究表明,Sr、Cl共取代能夠改變鈣鈦礦薄膜中PbI2前驅體的化學成分,并減少PbI2的殘余量。10 mol%SrCl2的取代可以提高鈣鈦礦薄膜的捕光效率,并提高“鈣鈦礦/Ti02”界面處的電子抽取效率,從而使得器件的短路電流密度(Jsc)從17.41 mAcm-2增加到19.45 mA cm-2。同時,Sr、Cl共取代可以減少鈣鈦礦電池中的電荷復合,導致電池的開路電壓(Voc)及填充因子(FF)分別提高到1.08V和0.74�；诖�,10 mol%SrCl2取代的鈣鈦礦太陽能電池獲得了15.64%的光電轉換效率,相比不含SrCl2的電池提升了 18.9%。采用兩步旋涂法,制備了 10 mol%SrI2取代與10 mol%SrCl2取代的少鉛鈣鈦礦薄膜,并組裝成介孔結構太陽能電池。利用多種表征手段詳細研究了Sr取代對鈣鈦礦薄膜及相應電池濕、熱穩(wěn)定性的影響。結果表明,1 0 mol%SrCl2取代能夠提升鈣鈦礦薄膜的抗?jié)裥阅?有利于抑制濕度引起的鈣鈦礦缺陷密度的增加。在“20±5℃,30±5%RH”條件下儲存21天后,10 mol%SrCl2取代的電池器件依然保持初始效率的84%。而10 mol%SrI2取代的鈣鈦礦表現(xiàn)出較強的濕度敏感性,導致電池內(nèi)部串聯(lián)電阻增加,復合阻抗減小。在“20±5℃,30±5%RH”條件下儲存9天后,電池效率下降至初始值的20%以下。另外,10 mol%SrI2與10 mol%SrCl2取代的鈣鈦礦薄膜均表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性。18次熱循環(huán)之后,上述兩種Sr取代的鈣鈦礦太陽能電池均能夠保持其初始效率的90%以上。
【學位授予單位】：北京科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TM914.4
【圖文】：

有機陽離子溶液中引入碘離子，降低了鈣鈦礦缺陷密度，電池的效率進一步逡逑提高至２２．１％，并已經(jīng)過認證［１８］。目前，鈣鈦礦太陽能電池光電轉換效率的逡逑世界紀錄為２４．２％，由由韓國化學技術研宄所（ＫＲＩＣＴ）創(chuàng)造（見圖２－１）［４］。逡逑基于鈣鈦礦型薄膜太陽能電池的光電轉換效率在近十年內(nèi)從９．７％迅速逡逑提高到２４．２％，己經(jīng)高于非晶硅太陽能電池效率。有研宄表明，鈣鈦礦太陽逡逑能電池光電轉換效率的理論值可達３０％以上［Ｉ９，２Ｇ］。所以隨著電池工藝的進一逡逑步發(fā)展和成熟，電池效率有望繼續(xù)突破。鈣鈦礦太陽能電池以其成本低、高逡逑光電轉換效率的優(yōu)勢將會取代傳統(tǒng)的半導體太陽能電池，有著廣泛的實際應逡逑用前景。逡逑Ｂｅｓｔ邋Ｒｅｓｅａｒｃｈ－Ｃｅｌｌ邋Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓ邐ＨＮＲＥＬ逡逑Ｍｕｉｔｆｕｎｃｉｉｏｎ邋ＣｔＨ＊邐ｉｒｏｎｒｌｉｉｉｋｅｊ邐Ｔｔ＾ｎｎｃｉＢｙｉＭ逡逑４ｆｔ邋ｍ邋＊邋？＊＞？■�。具姡垮澹悖徇姡义希颍�，二丨邐Ｈ＊，：一逡逑．ｆ．邐ａ邐■邋．．ｎ邐４邐．．邐ｖ——Ｖ－ｖ邐ＭＷ逡逑４０邋ａ邐０邐．邐．邐＜（Ｃ邐—Ｈｕ邋ｕ邋＾邐＾３－，！邐－＾ｔＴ＊邋Ｘｂｏ逡逑ＳＭｉｇｉｔ－ＪｕＫｔ．ｏｎ邋0？Ａｉ邐＊逡逑Ａ邋＾邐‘，二．．Ｆ＊逡逑０１邋ｌ邋ｕ—邋ｔ邋＂ｔ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋Ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋［邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋＾邐｜邐｜邐ｔ邋１邐■邐１邐．１邋．邋ｌ邋ｉ邋｜邋Ｉ邋｜邐）邐｜邐

而且具有較高的載流子遷移率，同時載流子壽命長且擴散距離較遠，所以一逡逑些研宄者認為介孔結構的電子傳輸材料并不是必需的。基于此，平面結構鈣逡逑鈦礦太陽能電池應運而生［２７］，如圖２－２（ｂ）所示。由于沒有納米結構的電子傳逡逑輸材料，平面結構鈣鈦礦電池的制備周期相對較短。另外，與正式平面結構逡逑相比，反式平面結構鈣鈦礦太陽能電池的電子傳輸層與空穴傳輸層交換了位逡逑置［２８，２９］。目前，多數(shù)平面結構鈣鈦礦太陽能電池的電子傳輸層和空穴傳輸層逡逑均可以低溫合成，因此平面結構可用于柔性太陽能電池的制備［２２］。逡逑除了上述兩種基本結構外，一些研宄小組提出了無空穴傳輸層％，？、無逡逑電子傳輸層［３２，３３］的電池結構�；谶@些結構的鈣鈦礦電池的光電轉換效率不逡逑是很高，不在本論文研究范圍內(nèi)，因此不再贅述。逡逑目前

逑２．１．３介孔結構有機－無機雜化鈣鈦礦太陽能電池的組成逡逑由圖２－２邋（ａ）可知，介孔結構鈣鈦礦太陽能電池的主要組成部分包括：透逡逑明電極、光吸收層、電子傳輸層、空穴傳輸層以及背電極。逡逑（１）有機－無機雜化鈣鈦礦光吸收層逡逑光吸收層是鈣鈦礦電池的核心部分，是產(chǎn)生載流子的主要場所。若要制逡逑備光電轉換效率高的太陽能電池，首先需要考慮選擇捕光效率高、載流子遷逡逑移率高、載流子壽命長并且消光系數(shù)高的半導體材料。有機－無機雜化鈣鈦礦逡逑材料，如ＭＡＰｂＩ３，具有優(yōu)異的半導體性能：（１）激子束縛能低。ＭＡＰｂＩ３的逡逑激子束縛能只有３０ｍｅＶ，因此激子在室溫卜就能分離成電子和空穴。而有機逡逑半導體材料的激子束縛能一般要大于２５０邋ｍｅＶ［３４］，需要給體和受體的最低未逡逑占分子軌道（ＬｏｗｅｓｔＵｎｏｃｃｕｐｉｅｄＭｏｌｅｃｕｌａｒＯｒｂｉｔａｌ，ＬＵＭＯ）能級之差作為驅逡逑動力才能使其有效分離。（２）禁帶寬度較窄（ＭＡＰｂＩ３的禁帶寬度只有１．５５逡逑ｅＶ），對太陽光的吸收波長范圍較大，吸收帶邊可延伸至紅外區(qū)間。（３）激子逡逑擴散距離較長。�。薨�？１５１３單晶中激子擴散長度可達１７５＾１１１１以上［３５］。（４）可傳逡逑輸載流子

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