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高效電子傳輸層的制備及其在鈣鈦礦太陽能電池中的應(yīng)用

發(fā)布時間:2020-09-04 20:22
   鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)因其光電轉(zhuǎn)化效率高,制備成本低廉,受到了全世界科研工作者的廣泛關(guān)注。在PSCs的各個組成部分中,電子傳輸層用以傳輸電子和阻擋空穴,對提升電池效率和緩解磁滯現(xiàn)象具有重要作用。目前研究最多,電池效率最好的一類電子傳輸層材料是TiO2。其中,銳鈦礦相TiO2(A-TiO2)是目前高效率電池普遍采用的電子傳輸層材料,但它仍然存在提升空間。例如較低的電子遷移率,導(dǎo)致電子傳輸層和鈣鈦礦界面處的電子堆積,降低電池效率的同時,也造成磁滯現(xiàn)象。因此,人們嘗試了多種手段來改善A-TiO2電子傳輸層的性能。金紅石相TiO2(R-TiO2)具有較高的電子遷移率,與鈣鈦礦更優(yōu)的晶格匹配度。但R-TiO2卻鮮有作為電子傳輸層用于鈣鈦礦太陽能電池。另一方面,具有光散射作用的中空球材料也極少用于多孔層研究。綜上,針對兩方面問題,本文一方面設(shè)計制備了金紅石相TiO2電子傳輸層,系統(tǒng)研究了制備工藝條件對電子傳輸層質(zhì)量和電池性能的影響,研究了銳鈦礦和金紅石相TiO2電子傳輸層性能的差異。另一方面,制備TiO2中空球的多孔層,系統(tǒng)研究了中空球結(jié)構(gòu)對PSCs的光電性能影響。主要研究結(jié)果如下:1.采用制備簡便,成本低廉的制備方法,成功制備了金紅石相TiO2。通過調(diào)控沉積時間和燒結(jié)溫度,調(diào)控TiO2的結(jié)晶性和表面缺陷態(tài)等。經(jīng)過制備工藝的優(yōu)化,500℃燒結(jié)溫度為500℃時獲得的R-TiO2電子傳輸層表現(xiàn)出最強(qiáng)的電子分離能力,實現(xiàn)將光生電子由鈣鈦礦層快速傳輸?shù)紽TO(F摻雜的氧化錫)層,獲得了最高效率為20.8%的PSC。2.相較于A-TiO2,R-TiO2具有與MAPbI3更佳的晶格匹配度,和與鈣鈦礦前驅(qū)體溶液更好的浸潤性。R-TiO2的電子遷移率也更高,捕獲態(tài)密度更低。在IMPS和IMVS測試中,R-TiO2電子傳輸層的電池的電子壽命更長,激子擴(kuò)散速率更快。R-TiO2組裝的電池獲得了更優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換性能,同時緩解了磁滯效應(yīng)。3.利用葡萄糖的水熱縮合反應(yīng),制備了300 nm、400 nm和800 nm的碳球。分別以它們作為模板,制備了50 nm、100 nm和200 nm的TiO2中空球(TiO2 HS)。通過TEM、SEM表征手段發(fā)現(xiàn)這些中空球只有薄薄的一層外殼層,其上均勻分布著微孔。XRD圖譜顯示,中空球均為純銳鈦礦相TiO2。隨著中空球尺寸的減小,電池光電性能逐漸增加。50 nm TiO2 HS獲得了最優(yōu)的性能,有效消除了磁滯現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn),50 nm Ti02 HS制備的電池具有更長的電子壽命,更快的傳輸速率,它的電子抽離能力也是最強(qiáng)的。此外,50 nm TiO2 HS的空腔結(jié)構(gòu)有效減少了缺陷態(tài)密度,減少了缺陷,同時吸附更多的鈣鈦礦。綜上,50 nm TiO2提高效率的同時,有效消除磁滯。
【學(xué)位單位】:中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院過程工程研究所)
【學(xué)位級別】:博士
【學(xué)位年份】:2019
【中圖分類】:TM914.4
【部分圖文】:

示意圖,電池,鈣鈦礦,橫截面


tx邋^Mw逡逑九I:」?逡逑圖1.2鈣鈦礦晶胞結(jié)構(gòu)示意圖…逡逑Figure邋1.2邋Crystal邋structure邋of邋the邋perovskite邋AMX3邋form,邋where邋A邋is邋methylammonium,逡逑M邋is邋Pb邋and邋X邋is邋I邋or邋Cl.邋^逡逑1.1.3鈣鈦礦材料特點逡逑鈣鈦礦材料具有許多優(yōu)異的性能,因此,被廣泛用于太陽能電池中[4,5,6]。總逡逑的來說,鈣鈦礦太陽電池相比于其他太陽能電池具有的優(yōu)勢有:(1)鈣鈦礦材料逡逑具有極高的光吸收率,400邋nm厚鈣鈦礦膜層可以吸收可見光范圍內(nèi)的光子[7];邋(2)逡逑鈣鈦礦材料的帶隙較合適(約1.5邋eV),并且其價帶位置較低,導(dǎo)致電池的開路逡逑電壓較高Ol.OeV)。同時,通過摻雜等方式,材料帶隙也可以進(jìn)行調(diào)整。(3)逡逑鈣鈦礦材料的電子-空穴兩性傳輸性能較好,在吸收光子時,激發(fā)產(chǎn)生光生載流逡逑子

鈣鈦礦,太陽能電池,電池結(jié)構(gòu),電池


active邋U-逡逑area邋;逡逑圖1.3固態(tài)電池及其橫截面掃描電鏡照片:(a)電池照片;(b)電池的橫截面結(jié)構(gòu);逡逑U)電池的橫截面掃描電鏡照片;(d)活性層/FTO界面結(jié)構(gòu)叫逡逑Figure邋1.3邋Solid-state邋device邋and邋its邋cross-sectional邋meso-structure:邋(a)邋Real邋solid-state逡逑device;邋(b)邋Cross-sectional邋structure邋of邋the邋device;邋(c)邋Cross邋sectional邋SEM邋image邋of邋the逡逑device;邋(d)邋Active邋layer-underlayer-FTO邋interfacial邋junction邋structure.,,3*逡逑至此,由于將空穴傳輸層換成了固態(tài)的物質(zhì),電池的穩(wěn)定性大大提高了。因逡逑此在后面幾年的研宄工作中,固態(tài)的空穴傳輸層材料Spiro-OMeTAD被眾多研究逡逑使用,并且可以獲得最高效的性能。由此制備出的鈣鈦礦太陽能電池,電池的基逡逑底為導(dǎo)電玻璃FTO,致密層為二氧化鈦薄膜,多孔支架層采用納米結(jié)構(gòu)的二氧化逡逑鈦。接著鈣鈦礦薄膜采用簡便的溶液法制備,并采用旋涂法涂覆固態(tài)空穴傳輸層,逡逑最后蒸鍍金電極,從而最終組裝成固態(tài)鈣鈦礦太陽能電池。這使得鈣鈦礦太陽能逡逑電池的發(fā)展邁進(jìn)了新的階段。逡逑2013年以來

示意圖,電子轉(zhuǎn)移過程,鈦礦,級分


逑和空穴收集的效率,進(jìn)而有損電池的性能。逡逑圖丨.6b示意的是載流子在理想情況下的一個傳輸過程。而圖1.7詳細(xì)描述了逡逑電池器件內(nèi)部的電子在工作狀態(tài)下的實際傳輸過程(以FTO/TiCb/MAPbb/Spiro-逡逑OMeTAD/Au器件結(jié)構(gòu)為例)。實際工作狀態(tài)下電子的傳輸過程主要包括以下過逡逑程[4()]:邋(1)電子從MAPbh層內(nèi)部傳輸給電子傳輸材料Ti02;邋(2)空穴由MAPbh逡逑傳輸給Spiro-OMeTAD邋(也可以理解為Spiro-OMeTAD將電子傳輸給MAPbI3);逡逑(3)邋MAPbI3薄膜內(nèi)部發(fā)生電子-空穴對非輻射性復(fù)合;(4)邋MAPbh材料內(nèi)電子逡逑-空穴對輻射性復(fù)合一熒光;(5)電子由Ti02到MAPbI3的反向傳輸;(6)電子逡逑由邋MAPbh邋到邋Spiro-OMeTAD邋的反向傳輸;(7)邋Ti02邋層與邋Spiro-OMeTAD邋層接觸逡逑時發(fā)生的界面處電子空穴的復(fù)合。從該詳細(xì)分析可以看到,鈣鈦礦太陽能電池內(nèi)逡逑發(fā)生著許多不同的電子-空穴的復(fù)合

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本文編號:2812543

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