鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的新型界面?zhèn)鬏攲友芯?/H1>
發(fā)布時(shí)間：2020-11-04 15:03
有機(jī)-無(wú)機(jī)鉛鹵鈣鈦礦因其具有較高的光學(xué)吸光系數(shù)及帶隙可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛研究,目前鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的認(rèn)證效率已達(dá)24.2%。本論文主要開(kāi)展新型界面?zhèn)鬏攲拥难芯?通過(guò)界面工程和能級(jí)工程,使用新型電子傳輸層(ETL)改善器件內(nèi)部電荷輸運(yùn)不匹配,提高器件的光電轉(zhuǎn)換效率,并進(jìn)一步使用具有疏水功能的空穴傳輸層(HTL)來(lái)提高鈣鈦礦電池的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。有機(jī)-無(wú)機(jī)混合陽(yáng)離子鈣鈦礦器件中的電子遷移率低于空穴遷移率,造成器件電荷傳輸不匹配,制約鈣鈦礦器件效率的發(fā)展。針對(duì)這一問(wèn)題,我們主要開(kāi)展新型ETL的研究來(lái)改善器件內(nèi)部電子的傳輸能力,進(jìn)而提高器件效率:首先,使用萘二酰亞胺分散石墨烯對(duì)SnO_2進(jìn)行修飾,獲得電子遷移率高達(dá)4.67×10~(-4) cm~2·V~(-1)·s~(-1)的高導(dǎo)電水溶性SnO_2-石墨烯作為ETL用于正式平板器件。由于鈣鈦礦/ETL界面的范德華相互作用,鈣鈦礦的無(wú)機(jī)框架[PbI_6]~(4-)將會(huì)固定在與之接觸的ETL上,達(dá)到抑制界面非輻射復(fù)合、降低載流子傳輸損失的效果,使得單結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的填充因子高達(dá)82.1%,光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)20.16%;其次,采用自組裝沉積的方法制備出電子遷移率高達(dá)7.85×10~(-4) cm~2·V~(-1)·s~(-1)的二維SnS_2 ETL用于正式平板電池。器件界面處由于Pb-S特殊作用所形成的微觀鑲嵌結(jié)構(gòu),有助于鈣鈦礦晶體均勻生長(zhǎng),促進(jìn)界面處的電子抽取,抑制界面處電壓降損失,實(shí)現(xiàn)器件中電子和空穴的傳輸平衡,獲得1.161 V的開(kāi)路電壓,效率達(dá)20.12%。此部分工作為進(jìn)一步研究利用ETL解決器件內(nèi)部載流子傳輸不匹配問(wèn)題及改善鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件性能提供了新的思路。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池差的長(zhǎng)期穩(wěn)定性嚴(yán)重阻礙其生產(chǎn)發(fā)展,對(duì)正式平板器件而言,通過(guò)研究疏水性良好的HTL來(lái)減少外環(huán)境對(duì)鈣鈦礦吸光層的影響是有效提高器件長(zhǎng)期穩(wěn)定性的重要方法,對(duì)此我們開(kāi)展以下工作:使用具有不同給體單元和π橋梁的吡咯并吡咯二酮作為HTL;采用吩噻嗪或三苯胺為給體,二噻吩并苯并噻二唑(DTPBT)為受體,構(gòu)建D-A-D型HTL;使用三苯胺為給體,苯并三唑類(lèi)分子為受體,構(gòu)建D-A-D型HTL。將上述HTL分別用于結(jié)構(gòu)為ITO/ETL/MAPbI_(3-x)Cl_x/HTL/Au鈣鈦礦電池中,相應(yīng)器件均具有良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。其中,基于吩噻嗪和DTPBT的HTL具有強(qiáng)推/拉電子能力,使相應(yīng)器件具有較強(qiáng)的空穴抽取能力,器件效率為14.2%且未封裝器件在280小時(shí)后仍保持80%初始效率;基于三苯胺和苯并三唑吲哚的HTL獲得未摻雜的電池效率13.22%且材料優(yōu)異的疏水性(與水的接觸角高達(dá)105°)提高了未封裝器件的穩(wěn)定性。該部分研究為通過(guò)開(kāi)發(fā)新型疏水性HTL來(lái)提高鈣鈦礦電池的長(zhǎng)期穩(wěn)定性提供了重要的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類(lèi)】：TM914.4
【部分圖文】：
圖 1-1 太陽(yáng)能電池發(fā)展歷程和種類(lèi)Figure 1-1 The development course and types of solar cells.型太陽(yáng)能電池中，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的研究取得了突破性進(jìn)展 2013 年被 Science 評(píng)為 10 大突破性科技之一[4]。鈣鈦礦材料度（大于 1 μm），高的載流子遷移速率（約 0.6 cm2·V-1·s-1），600nm 處可達(dá) 5.7×104cm-1）、合適且可調(diào)的光學(xué)帶隙（約 1.1~2范圍、比較簡(jiǎn)單可行的制備程序和優(yōu)良的雙極性載流子輸運(yùn)特性鈦礦太陽(yáng)能電池效率迅速增長(zhǎng)（目前已>20%），而且器件結(jié)構(gòu)刷等技術(shù)制備，具有明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)[6]。目前鈣鈦礦太陽(yáng)能電研究熱點(diǎn)，取得了眾多引人注目的成果。礦太陽(yáng)能電池的研究進(jìn)展
圖 1-2 鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)圖Figure 1-2 The diagram of perovskite crystalline structure.鈦礦材料的形成和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性需滿(mǎn)足：1）正負(fù)離子價(jià)態(tài)的電中性守則；負(fù)離子的離子半徑需要滿(mǎn)足八面體因子 μ=rB/rX和 Goldsmith 容rB)/√2(rB+rX)，兩式中的rA、rB和rX分別為鈣鈦礦晶體中 A 位陽(yáng)離子半徑半徑和 X 位陰離子半徑，其中常用的離子半徑數(shù)值為rMA+=2.70 ，rI-=2.1.19 ，rCs+=1.81 。rA、rB和rX三種離子半徑的大小決定晶體的類(lèi)型，只半徑的關(guān)系在 0.44<μ<0.90 且 0.8<t<1 范圍內(nèi)時(shí)[10]，才能形成穩(wěn)定的鈣，此時(shí)鈣鈦礦材料的光吸收在 750~880 nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)，鈣鈦礦材料的1.40~1.65eV（早期報(bào)道較多的 MAPbI3的光學(xué)帶隙為 1.52eV，F(xiàn)APbI3的1.41eV，混合鹵素 MAPbI3-xClx的光學(xué)帶隙為 1.63eV）。而當(dāng) 0.8<t<0.9 時(shí)體結(jié)構(gòu)會(huì)變形出現(xiàn)正交、菱形或四方等晶體結(jié)構(gòu)。若容忍因子 t>1，即
華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文頭過(guò)濾即可獲得鈣鈦礦前驅(qū)體溶液。制備薄膜時(shí)，不采用反溶劑時(shí)即一步法旋涂退火之后即可獲得鈣鈦礦薄膜，此過(guò)程制備薄膜較為簡(jiǎn)單。而在反溶劑旋涂過(guò)程中，則需要在特定時(shí)間點(diǎn)滴入反溶劑（如甲苯、氯苯、乙醚等），以去除多余溶劑、促進(jìn)鈣鈦礦晶體的形成，從而可以制備大晶粒鈣鈦礦薄膜，此制備過(guò)程可以控制鈣鈦礦薄膜的厚度、均勻性和薄膜形貌等性能[14,15]。兩步旋涂法通常是將黃色粉末 PbI2溶解于 DMF溶劑并通過(guò)加熱、攪拌進(jìn)行溶解，采用 0.22μm 有機(jī)過(guò)濾頭過(guò)濾即可使用，將 MAI 固體溶解于異丙醇（IPA）溶劑中，待攪拌溶解之后即獲得兩步法旋涂的前驅(qū)體溶液。首先在一定轉(zhuǎn)速之下旋涂 PbI2溶液，并在 70 oC 加熱退火~30 min 左右形成黃色薄膜，冷卻至室溫后再旋涂 MAI 溶液，并在手套箱氮?dú)夥諊?135 oC 加熱退火~15 min 形成黑色鈣鈦礦多晶薄膜。
【相似文獻(xiàn)】
相關(guān)期刊論文 前10條
1 ;世界首例無(wú)金屬鈣鈦礦型鐵電體制備成功[J];技術(shù)與市場(chǎng);2020年01期
2 梅海林;唐立丹;王冰;馮嘉恒;;鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池的研究進(jìn)展[J];遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2016年01期
3 孟淼飛;馬錫英;;鈣鈦礦型太陽(yáng)電池的研究進(jìn)展[J];微納電子技術(shù);2015年08期
4 楊婭婷;段少勇;姜恒;宮紅;;鈣鈦礦型堿金屬鉭酸鹽中A位離子變換的原因[J];鹽業(yè)與化工;2014年02期
5 陳婷;鄭惠丹;王品;苗承榮;劉佳雯;;鈣鈦礦型光催化劑的合成、改性摻雜與負(fù)載技術(shù)的研究進(jìn)展[J];化學(xué)工程師;2008年08期
6 李中秋;侯桂芹;張文麗;;鈣鈦礦型固體電解質(zhì)材料的發(fā)展現(xiàn)狀[J];河北理工學(xué)院學(xué)報(bào);2006年01期
7 李中秋,侯桂芹,張文麗,仉小猛;鈣鈦礦型固體電解質(zhì)材料的研究進(jìn)展[J];山東陶瓷;2005年04期
8 王道,王蘇婭,李琬;鈣鈦礦型稀土催化劑負(fù)載方法的研究[J];環(huán)境化學(xué);1988年01期
9 彭高聰,楊汝棟,齊玉蘭,劉建民;變價(jià)稀土鈣鈦礦型化合物在稀土分離中的應(yīng)用——氧化還原法分離鐠釹[J];稀土;1988年02期
10 溫元?jiǎng)P,柳宏波,李鵬鴿,聶圣哲,周栓虎;鈣鈦礦型氧化物超導(dǎo)體的模式識(shí)別研究[J];硅酸鹽學(xué)報(bào);1989年01期
相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條
1 趙曉娟;鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的新型界面?zhèn)鬏攲友芯縖D];華中科技大學(xué);2019年
2 汪月琴;多元摻雜鈣鈦礦型ABO_3催化劑的磁光調(diào)控及礦物負(fù)載改性研究[D];安徽理工大學(xué);2019年
3 彭路成;膠體鹵化鉛銫鈣鈦礦納米晶的制備及生長(zhǎng)機(jī)制研究[D];吉林大學(xué);2018年
4 戴思敏;應(yīng)用于鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池的富勒烯基電子傳輸材料的配方工程研究[D];廈門(mén)大學(xué);2017年
5 劉洋;鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的相關(guān)物理過(guò)程研究[D];吉林大學(xué);2019年
6 常海波;鈣鈦礦型鈮酸鹽的水熱合成及表征[D];吉林大學(xué);2012年
7 楊銘;摻雜的鈣鈦礦型錳酸鹽的水熱合成與性質(zhì)表征[D];吉林大學(xué);2010年
8 董忠平;摻雜鈣鈦礦型錳酸鹽的合成與性質(zhì)表征[D];吉林大學(xué);2010年
9 李敏;鈣鈦礦型鐵基復(fù)合氧化物的水熱合成與性質(zhì)研究[D];吉林大學(xué);2011年
10 李娜娜;鈣鈦礦型與雙鈣鈦礦型氧化物的電磁特性及其高壓研究[D];吉林大學(xué);2014年
相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條
1 王桑妮;甲胺溴化鉛鈣鈦礦納米晶的制備及其光學(xué)性質(zhì)和穩(wěn)定性研究[D];廣西大學(xué);2019年
2 徐迎雪;鈣鈦礦型太陽(yáng)電池電荷傳輸材料的設(shè)計(jì)與模擬[D];華北電力大學(xué)(北京);2019年
3 欒繼程;低溫制備純溴鈣鈦礦太陽(yáng)電池及其性能研究[D];華北電力大學(xué)(北京);2019年
4 李瑞雪;鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在低輻照條件下的性能研究[D];長(zhǎng)安大學(xué);2019年
5 李佳起;穩(wěn)定高效氧化鐵基鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的制備及性能研究[D];電子科技大學(xué);2019年
6 劉昌鍵;無(wú)機(jī)鈣鈦礦納米材料的制備及其發(fā)光器件[D];南京郵電大學(xué);2019年
7 鄧云愷;高效率倒置平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的研制[D];南京郵電大學(xué);2019年
8 劉澤;基于NiO_x界面修飾的反式鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的性能研究[D];南京郵電大學(xué);2019年
9 周雅清;富勒烯修飾層及其鈣鈦礦太陽(yáng)能電池界面工程的研究[D];廈門(mén)大學(xué);2018年
10 楊隆凱;基于TiO_2納米棒陣列的高效鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的制備[D];廈門(mén)大學(xué);2018年
本文編號(hào)：2870249
本文鏈接：http://sikaile.net/kejilunwen/dianlidianqilunwen/2870249.html
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類(lèi)】：TM914.4
【部分圖文】：
圖 1-1 太陽(yáng)能電池發(fā)展歷程和種類(lèi)Figure 1-1 The development course and types of solar cells.型太陽(yáng)能電池中，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的研究取得了突破性進(jìn)展 2013 年被 Science 評(píng)為 10 大突破性科技之一[4]。鈣鈦礦材料度（大于 1 μm），高的載流子遷移速率（約 0.6 cm2·V-1·s-1），600nm 處可達(dá) 5.7×104cm-1）、合適且可調(diào)的光學(xué)帶隙（約 1.1~2范圍、比較簡(jiǎn)單可行的制備程序和優(yōu)良的雙極性載流子輸運(yùn)特性鈦礦太陽(yáng)能電池效率迅速增長(zhǎng)（目前已>20%），而且器件結(jié)構(gòu)刷等技術(shù)制備，具有明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)[6]。目前鈣鈦礦太陽(yáng)能電研究熱點(diǎn)，取得了眾多引人注目的成果。礦太陽(yáng)能電池的研究進(jìn)展
圖 1-2 鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)圖Figure 1-2 The diagram of perovskite crystalline structure.鈦礦材料的形成和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性需滿(mǎn)足：1）正負(fù)離子價(jià)態(tài)的電中性守則；負(fù)離子的離子半徑需要滿(mǎn)足八面體因子 μ=rB/rX和 Goldsmith 容rB)/√2(rB+rX)，兩式中的rA、rB和rX分別為鈣鈦礦晶體中 A 位陽(yáng)離子半徑半徑和 X 位陰離子半徑，其中常用的離子半徑數(shù)值為rMA+=2.70 ，rI-=2.1.19 ，rCs+=1.81 。rA、rB和rX三種離子半徑的大小決定晶體的類(lèi)型，只半徑的關(guān)系在 0.44<μ<0.90 且 0.8<t<1 范圍內(nèi)時(shí)[10]，才能形成穩(wěn)定的鈣，此時(shí)鈣鈦礦材料的光吸收在 750~880 nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)，鈣鈦礦材料的1.40~1.65eV（早期報(bào)道較多的 MAPbI3的光學(xué)帶隙為 1.52eV，F(xiàn)APbI3的1.41eV，混合鹵素 MAPbI3-xClx的光學(xué)帶隙為 1.63eV）。而當(dāng) 0.8<t<0.9 時(shí)體結(jié)構(gòu)會(huì)變形出現(xiàn)正交、菱形或四方等晶體結(jié)構(gòu)。若容忍因子 t>1，即
華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文頭過(guò)濾即可獲得鈣鈦礦前驅(qū)體溶液。制備薄膜時(shí)，不采用反溶劑時(shí)即一步法旋涂退火之后即可獲得鈣鈦礦薄膜，此過(guò)程制備薄膜較為簡(jiǎn)單。而在反溶劑旋涂過(guò)程中，則需要在特定時(shí)間點(diǎn)滴入反溶劑（如甲苯、氯苯、乙醚等），以去除多余溶劑、促進(jìn)鈣鈦礦晶體的形成，從而可以制備大晶粒鈣鈦礦薄膜，此制備過(guò)程可以控制鈣鈦礦薄膜的厚度、均勻性和薄膜形貌等性能[14,15]。兩步旋涂法通常是將黃色粉末 PbI2溶解于 DMF溶劑并通過(guò)加熱、攪拌進(jìn)行溶解，采用 0.22μm 有機(jī)過(guò)濾頭過(guò)濾即可使用，將 MAI 固體溶解于異丙醇（IPA）溶劑中，待攪拌溶解之后即獲得兩步法旋涂的前驅(qū)體溶液。首先在一定轉(zhuǎn)速之下旋涂 PbI2溶液，并在 70 oC 加熱退火~30 min 左右形成黃色薄膜，冷卻至室溫后再旋涂 MAI 溶液，并在手套箱氮?dú)夥諊?135 oC 加熱退火~15 min 形成黑色鈣鈦礦多晶薄膜。
【相似文獻(xiàn)】
相關(guān)期刊論文 前10條
1 ;世界首例無(wú)金屬鈣鈦礦型鐵電體制備成功[J];技術(shù)與市場(chǎng);2020年01期
2 梅海林;唐立丹;王冰;馮嘉恒;;鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池的研究進(jìn)展[J];遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2016年01期
3 孟淼飛;馬錫英;;鈣鈦礦型太陽(yáng)電池的研究進(jìn)展[J];微納電子技術(shù);2015年08期
4 楊婭婷;段少勇;姜恒;宮紅;;鈣鈦礦型堿金屬鉭酸鹽中A位離子變換的原因[J];鹽業(yè)與化工;2014年02期
5 陳婷;鄭惠丹;王品;苗承榮;劉佳雯;;鈣鈦礦型光催化劑的合成、改性摻雜與負(fù)載技術(shù)的研究進(jìn)展[J];化學(xué)工程師;2008年08期
6 李中秋;侯桂芹;張文麗;;鈣鈦礦型固體電解質(zhì)材料的發(fā)展現(xiàn)狀[J];河北理工學(xué)院學(xué)報(bào);2006年01期
7 李中秋,侯桂芹,張文麗,仉小猛;鈣鈦礦型固體電解質(zhì)材料的研究進(jìn)展[J];山東陶瓷;2005年04期
8 王道,王蘇婭,李琬;鈣鈦礦型稀土催化劑負(fù)載方法的研究[J];環(huán)境化學(xué);1988年01期
9 彭高聰,楊汝棟,齊玉蘭,劉建民;變價(jià)稀土鈣鈦礦型化合物在稀土分離中的應(yīng)用——氧化還原法分離鐠釹[J];稀土;1988年02期
10 溫元?jiǎng)P,柳宏波,李鵬鴿,聶圣哲,周栓虎;鈣鈦礦型氧化物超導(dǎo)體的模式識(shí)別研究[J];硅酸鹽學(xué)報(bào);1989年01期
相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條
1 趙曉娟;鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的新型界面?zhèn)鬏攲友芯縖D];華中科技大學(xué);2019年
2 汪月琴;多元摻雜鈣鈦礦型ABO_3催化劑的磁光調(diào)控及礦物負(fù)載改性研究[D];安徽理工大學(xué);2019年
3 彭路成;膠體鹵化鉛銫鈣鈦礦納米晶的制備及生長(zhǎng)機(jī)制研究[D];吉林大學(xué);2018年
4 戴思敏;應(yīng)用于鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池的富勒烯基電子傳輸材料的配方工程研究[D];廈門(mén)大學(xué);2017年
5 劉洋;鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的相關(guān)物理過(guò)程研究[D];吉林大學(xué);2019年
6 常海波;鈣鈦礦型鈮酸鹽的水熱合成及表征[D];吉林大學(xué);2012年
7 楊銘;摻雜的鈣鈦礦型錳酸鹽的水熱合成與性質(zhì)表征[D];吉林大學(xué);2010年
8 董忠平;摻雜鈣鈦礦型錳酸鹽的合成與性質(zhì)表征[D];吉林大學(xué);2010年
9 李敏;鈣鈦礦型鐵基復(fù)合氧化物的水熱合成與性質(zhì)研究[D];吉林大學(xué);2011年
10 李娜娜;鈣鈦礦型與雙鈣鈦礦型氧化物的電磁特性及其高壓研究[D];吉林大學(xué);2014年
相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條
1 王桑妮;甲胺溴化鉛鈣鈦礦納米晶的制備及其光學(xué)性質(zhì)和穩(wěn)定性研究[D];廣西大學(xué);2019年
2 徐迎雪;鈣鈦礦型太陽(yáng)電池電荷傳輸材料的設(shè)計(jì)與模擬[D];華北電力大學(xué)(北京);2019年
3 欒繼程;低溫制備純溴鈣鈦礦太陽(yáng)電池及其性能研究[D];華北電力大學(xué)(北京);2019年
4 李瑞雪;鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在低輻照條件下的性能研究[D];長(zhǎng)安大學(xué);2019年
5 李佳起;穩(wěn)定高效氧化鐵基鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的制備及性能研究[D];電子科技大學(xué);2019年
6 劉昌鍵;無(wú)機(jī)鈣鈦礦納米材料的制備及其發(fā)光器件[D];南京郵電大學(xué);2019年
7 鄧云愷;高效率倒置平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的研制[D];南京郵電大學(xué);2019年
8 劉澤;基于NiO_x界面修飾的反式鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的性能研究[D];南京郵電大學(xué);2019年
9 周雅清;富勒烯修飾層及其鈣鈦礦太陽(yáng)能電池界面工程的研究[D];廈門(mén)大學(xué);2018年
10 楊隆凱;基于TiO_2納米棒陣列的高效鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的制備[D];廈門(mén)大學(xué);2018年
本文編號(hào)：2870249
本文鏈接：http://sikaile.net/kejilunwen/dianlidianqilunwen/2870249.html
