隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染問題的日益加劇,新能源的開發(fā)和利用顯得十分緊迫。太陽能作為一種清潔而又取之不盡的能源,正在受到人們的重視。近年來,有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦太陽能電池由于其極低的成本與迅猛發(fā)展的效率,吸引了大量研究人員的關(guān)注。有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦材料(A=Cs,FA,MA,BA,B=Pb,Sn,X=C1,Br,I)具有非常優(yōu)異的光電學(xué)性能,包括較大的吸光系數(shù)、長的載流子壽命、高的電荷遷移率、長的電荷遷移距離以及高的缺陷容忍度等。我們致力于研究以低成本溶液法制備高效率、高穩(wěn)定性的有機(jī)/無機(jī)雜化的鈣鈦礦太陽能電池。通過精確控制鈣鈦礦薄膜的形貌/織構(gòu)、優(yōu)化材料的組分、以及改善薄膜的制備工藝,解決材料在基于溶液法制備過程中帶來的低質(zhì)量,以及高的載流子復(fù)合率等問題,逐步提升器件的光電轉(zhuǎn)化效率。研究內(nèi)容包括:研究了不同配位能力的添加劑對鈣鈦礦薄膜形貌/織構(gòu)的影響,其中重點(diǎn)研究了不同配位能力的添加劑對薄膜形核及結(jié)晶過程的影響。研究發(fā)現(xiàn)不同配位能力的添加劑對薄膜的形核結(jié)晶過程的影響較大,表明添加劑的配位能力可以作為一個(gè)控制薄膜生長的有效參數(shù)。與大部分研究通過引入強(qiáng)配位添加劑以獲得大尺寸晶粒的鈣鈦礦多晶薄膜不一樣,通過引入弱配位添加劑乙腈且獲得了具有更大晶粒尺寸的鈣鈦礦薄膜;并詳細(xì)研究了乙腈對形核及生長過程的影響,該思路可推廣到其它的添加劑的研究中,具有很好的普適性�；谌跖湮惶砑觿┰谇膀�(qū)體溶液中的引入,以及由此制備的高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜,獲得了高達(dá)19.7%的光電轉(zhuǎn)換效率的鈣鈦礦太陽能電池,這在當(dāng)時(shí)低溫平面鈣鈦礦器件中屬于較高的器件效率。由于低溫鈣鈦礦器件可以進(jìn)一步用于制備柔性器件和疊層器件,該研究對鈣鈦礦多晶薄膜的認(rèn)識及未來的商業(yè)化應(yīng)用都有重大意義。采用混合設(shè)計(jì)(中心復(fù)合設(shè)計(jì)的一種)的方法研究混合陽離子鈣鈦礦的光電性能與組分的構(gòu)效關(guān)系,并構(gòu)筑高效的太陽能電池。不同于早期人們主要采用梯度控制不同陽離子的比例來研究A位離子摻雜對鈣鈦礦光電性能的影響,研究發(fā)現(xiàn)采用混合設(shè)計(jì)的方法可以大大降低實(shí)驗(yàn)的樣本量,并有效地揭示了薄膜光電性能與A位陽離子鈣鈦礦之間的構(gòu)效關(guān)系,同時(shí)優(yōu)化器件效率。在混合鈣鈦礦體系中,確立了器件的光伏特性參數(shù)與A位陽離子之間的構(gòu)效關(guān)系,同時(shí)建立了不同性能之間的必然聯(lián)系;該方法有別于大多數(shù)理論模型通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的方法確認(rèn)效率最高點(diǎn)的組分范圍。通過混合設(shè)計(jì)的方法,確認(rèn)了鈣鈦礦太陽能電池效率最佳的組分點(diǎn),并通過優(yōu)化獲得了光電轉(zhuǎn)換效率為20.99%的器件�；旌显O(shè)計(jì)的方法將材料組分與器件的光電性能之間的構(gòu)效關(guān)系可視化的呈現(xiàn)出來。特別值得一提的是,該方法可以用于可視化其它任何器件性能與其材料組分之間的構(gòu)效關(guān)系,具有廣泛的普適性。發(fā)展了利用“晶種法”改善鈣鈦礦材料的生長工藝,并進(jìn)一步提高其太陽能電池效率。鈣鈦礦晶種的方法是在前驅(qū)體溶液兩步沉積的過程中,將部分A位陽離子溶液與無機(jī)骨架物種預(yù)先混合在第一步進(jìn)行沉積;該方法介于兩步和一步旋涂法之間,結(jié)合了兩者的優(yōu)勢,從而保證薄膜成分的均勻性以及快速的晶體生長過程。通過對比不同晶種成分對鈣鈦礦太陽能電池效率的影響,發(fā)現(xiàn)相對體相材料而言,基于寬帶隙的鈣鈦礦晶種比窄帶隙的鈣鈦礦晶種可獲得更高的效率;其主要原因是由于晶種在晶粒內(nèi)部,窄帶隙包寬帶隙有利于電荷的傳輸。此外,相對于傳統(tǒng)的兩步旋涂沉積法來說,晶種的加入,可以使得薄膜反應(yīng)更充分,降低殘余碘化鉛的含量;并可方便調(diào)節(jié)薄膜的帶隙。最后,通過一系列的優(yōu)化獲得了高達(dá)21.5%光電轉(zhuǎn)化效率的鈣鈦礦太陽能電池。將三維鈣鈦礦的生長工藝進(jìn)一步拓展至二維/三維多級鈣鈦礦的構(gòu)筑。采用連續(xù)兩步沉積方法制備出了準(zhǔn)二維/三維多級鈣鈦礦結(jié)構(gòu),其中準(zhǔn)二維鈣鈦礦(BA)2(MA)n-1PbnI3n+1垂直于三維鈣鈦礦基底之上。此鈣鈦礦薄膜結(jié)構(gòu)有別于傳統(tǒng)一步法制備的準(zhǔn)二維鈣鈦礦(BA)2(MA)n-1PbnI3n+1結(jié)構(gòu),鈣鈦礦薄膜由不同n值的相構(gòu)成,其中,n值從上表面到下表面逐漸增加。系統(tǒng)的研究了該薄膜的形核機(jī)制,揭示了陽離子比例及陽離子濃度是制備準(zhǔn)二維/三維多級鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵;其生長機(jī)理類似于枝晶的生長機(jī)理。此外,通過瞬態(tài)吸收證明了載流子在鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中的有效傳輸,這種光生電子由薄膜上表面向下表面?zhèn)鬏斶m用于獨(dú)特的光電器件。將這種鈣鈦礦多級結(jié)構(gòu)的薄膜運(yùn)用于光電探測器上,獲得了超過103的光響應(yīng)。該工作通過精確的控制了鈣鈦礦多級結(jié)構(gòu)的生長,對于鈣鈦礦的生長機(jī)理的理解具有較大的幫助,同時(shí)這種鈣鈦礦超級結(jié)構(gòu)也可以運(yùn)用于太陽能電池或其他光電器件中。
【學(xué)位單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TM914.4
【部分圖文】：

?北京科技大學(xué)博士學(xué)位論文???１引言??能源是人類賴以生存的根本，隨著人類文明的進(jìn)步，人們生活質(zhì)量的提??高，人類對能源的需求越來越多（圖１－１）。人口當(dāng)前人們能源主要來源是以??石油、煤炭、天然氣為主的化石能源。眾所周知，這些能源都屬于非可再生??資源，隨著人類對能源的需求日益增長，現(xiàn)存的化石資源已經(jīng)越來越不能滿??足人們未來的需求（圖１－２）。集中力量開發(fā)可再生能源是當(dāng)前人類面臨的最??緊迫的課題。??１?２５０?－１＿Ｈ?Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ??

硒薄膜太陽能電池等）、新型薄膜太陽能電池（其包括有機(jī)太陽能電池、有機(jī)??－無機(jī)雜化鈣鈦礦太陽能電池及染料敏化太陽能電池等）等［６，７］。按照太陽能??電池的發(fā)展歷程可將其分為三代太陽能電池，具體分類如圖２－１所示：??——Ｊ?Ｉ???Ｉ?Ｉ?？?Ｉ??圖２－１太陽能電池的分類??第一代太陽能電池主要是指硅基太陽能電池，包括單晶硅太陽能電池和??多晶硅太陽能電池，這類太陽能電池的發(fā)展時(shí)間最長，制造工藝和產(chǎn)業(yè)化程??度也最成熟，具有豐富的原材料、高效高、穩(wěn)定好等特點(diǎn)，目前占據(jù)了主流??－３?－??

??市場。其中單晶硅的實(shí)驗(yàn)室效率已經(jīng)達(dá)到２５．８?％?（圖２－２），但鑒于其禁帶寬??度只有１．１２ｅＶ，己經(jīng)非常接近其理論極限光電轉(zhuǎn)換效率２９％，但是由于晶??體硅的生產(chǎn)過程能耗高污染大導(dǎo)致其成本較高。盡管經(jīng)過科研工作者及產(chǎn)業(yè)?＇??界的不斷優(yōu)化，目前鉛電池組件的生產(chǎn)成本降至０．６美元／Ｗ，但相對于傳統(tǒng)??能源來說，其成本依然很高。??Ｂｅｓｔ?Ｒｅｓｅａｒｃｈ－Ｃｅｌｌ?Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓ?ＨＮＲＥＬ??Ｍｕｌｔｉ｜ｕｎｃｉｉｏｎ?Ｃ？＜ｌｔ?？－（８ｒｍｍａ（?ｍｏｎｏＷｉｃ?ＴｂｉｉｖｆＨｍ?Ｔ＊ｃｈｎ〇｜〇ｇｔＭ??？?Ｃ＞Ｇ￡?＂ｘｎｅａｎｔｒａｎｙ；?ＩＢＷ??４?卜：．??”?＾？ｏ＊ｉｕｎｃｔｏ＞ｉ３）ｎｃｗ＊？？ｑｉ?Ｏ?ｉｍｔｖｐｎｏｕ＊?＆?Ｈ?．Ｓｔ?３ｏ？？ｃ??４４?＿?▼?ｙ－？，?ＥｎｗｒｇｍＢＰＶ??４０?—?〇?？Ａ?ａ?Ｓｐｅｃｔｒａｌ＊糾?Ｊｒｒｍｎ??Ｓｉｎｇｌｅ－Ｊｕｎｃｔｉｏｎ?Ｇ＊Ａｔ?＊?＾Ｓｎ？ｐ?（ＩＭＵ）?＾８２８，??３６－?Ｓｉｎ?＇＊＞??卜；聲—?二＇色，＾?一－二＾ｒ；鬣??０?ｉ?〇■?ｉ?＂＊＊１?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?重垂?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ??１９７５?１９８０?１９６５?１９９０?１９９５?２０００?２００５?２０１０?２０１５?２０２０??圖２－２美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室發(fā)布的光伏電池效率紀(jì)錄表［５］??第二代太陽能電池是指多元化合物薄膜太陽能電池
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本文編號：2855918