鈣鈦礦太陽(yáng)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(gè)組成部分中,電子傳輸層用以傳輸電子和阻擋空穴,對(duì)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(shí),也造成磁滯現(xiàn)象。因此,人們嘗試了多種手段來(lái)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(yáng)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(duì)兩方面問(wèn)題,本文一方面設(shè)計(jì)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(duì)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(duì)PSCs的光電性能影響。主要研究結(jié)果如下:1.采用制備簡(jiǎn)便,成本低廉的制備方法,成功制備了金紅石相TiO2。通過(guò)調(diào)控沉積時(shí)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(guò)制備工藝的優(yōu)化,500℃燒結(jié)溫度為500℃時(shí)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(shí)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(rùn)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(cè)試中,R-TiO2電子傳輸層的電池的電子壽命更長(zhǎng),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(shí)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(guò)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(zhǎng)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(shí)吸附更多的鈣鈦礦。綜上,50 nm TiO2提高效率的同時(shí),有效消除磁滯。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TM914.4
【部分圖文】：

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(diǎn)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(yáng)能電池中［４，５，６］�？傚义系膩�(lái)說(shuō)，鈣鈦礦太陽(yáng)電池相比于其他太陽(yáng)能電池具有的優(yōu)勢(shì)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(jiàn)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(jià)帶位置較低，導(dǎo)致電池的開(kāi)路逡逑電壓較高Ｏｌ．ＯｅＶ）。同時(shí)，通過(guò)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(shí)，激發(fā)產(chǎn)生光生載流逡逑子

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(yáng)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(jiǎn)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(yáng)能電池。這使得鈣鈦礦太陽(yáng)能逡逑電池的發(fā)展邁進(jìn)了新的階段。逡逑２０１３年以來(lái)

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(gè)傳輸過(guò)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(shí)際傳輸過(guò)程（以ＦＴＯ／ＴｉＣｂ／ＭＡＰｂｂ／Ｓｐｉｒｏ－逡逑ＯＭｅＴＡＤ／Ａｕ器件結(jié)構(gòu)為例）。實(shí)際工作狀態(tài)下電子的傳輸過(guò)程主要包括以下過(guò)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(duì)非輻射性復(fù)合；（４）邋ＭＡＰｂｈ材料內(nèi)電子逡逑－空穴對(duì)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(shí)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(yáng)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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