發(fā)布時間：2021-06-16 00:36

　　鈣鈦礦太陽能電池因其優(yōu)異的光電特性、低成本、易制備等優(yōu)點在過去的十年間得到了深入的研究。盡管目前鈣鈦礦太陽能電池已經(jīng)取得了較高的光電轉(zhuǎn)換效率,但空氣條件下制備的器件性能仍處于較低水平,鈣鈦礦器件退化機制仍需深入探討。本論文系統(tǒng)地研究了空氣條件下制備高性能鈣鈦礦太陽能電池,探討了水氧誘導(dǎo)鈣鈦礦退化的微觀機制,同時還研究了有機電子傳輸材料C60的偶極弛豫性質(zhì)。首先,為了提升空氣條件下制備的反式結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率,我們在鈣鈦礦前驅(qū)體溶液中協(xié)同摻雜碘化銫和水。研究表明,碘化銫水溶液中水起到了延緩結(jié)晶的作用,使鈣鈦礦具有較大的晶粒尺寸（從250 nm增至550 nm）和較少的缺陷態(tài);同時,銫離子的摻入調(diào)節(jié)了鈣鈦礦的帶隙和能級排列,價帶頂提升0.28eV,有助于載流子的傳輸。通過碘化銫水溶液中銫與水的協(xié)同作用,基于45%的濕度,我們將空氣條件下制備的無緩沖層反式結(jié)構(gòu)器件效率提升至16.6%。其次,由于P3HT與鈣鈦礦之間存在著較差的物理接觸和能級失配,以P3HT為空穴傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池的性能始終處于較低水平,尤其空氣條件下制備的P3HT基鈣鈦礦太陽能電池。鑒于此,我們設(shè)計了鉛... 

【文章來源】：安徽師范大學(xué)安徽省

【文章頁數(shù)】：100 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

-1鈣鈦礦結(jié)構(gòu)示意圖[1]

51.2.1基于液態(tài)電解質(zhì)的鈣鈦礦太陽能電池2009年Miyasaka首次將有機-無機雜化鈣鈦礦CH3NH3PbX(X=I,Br)應(yīng)用為太陽能電池的光吸收材料，并獲得了3.8%的效率[17]。而當(dāng)時制備的鈣鈦礦是基于染料敏化電池的結(jié)構(gòu)，用鈣鈦礦替換了傳統(tǒng)的有機染料作為吸光材料，采用液態(tài)電解質(zhì)。由于鈣鈦礦在電解質(zhì)中容易溶解，因此制備出的電池并不穩(wěn)定。2011年，Park等人將2-3nm的鈣鈦礦納米晶引入到染料敏化結(jié)構(gòu)的太陽能電池中，他們將鈣鈦礦量子點材料原位沉積到多孔TiO2結(jié)構(gòu)中[18]。在基于優(yōu)化了厚度的TiO2薄膜上，通過Pb(NO3)2修飾表面，獲得了高達6.5%的光電轉(zhuǎn)換效率。但穩(wěn)定性問題仍然未得到解決，在持續(xù)光照的工作條件下，鈣鈦礦納米晶會逐漸溶解到電解液中。為了克服這一問題，就需要將染料敏化太陽能電池中的液態(tài)電解質(zhì)設(shè)計成固態(tài)電解質(zhì)。隨著研究的深入，一般認為在染料敏化太陽能電池中開路電壓是由TiO2的費米能級和電介質(zhì)之間的還原電勢差所決定。由于固態(tài)空穴傳輸材料與之具有更高的還原電勢差，理論上采用固態(tài)電解質(zhì)應(yīng)該能取的更高的開路電壓。這些理論研究與優(yōu)點都推動了固態(tài)電解質(zhì)的發(fā)展。首先報道的固態(tài)空穴傳輸材料為2,2",7,7"-Tetrakis[N,N-di(4-methoxyphenyl)amino]-9,9’-spirobifluorene(Spiro-OMeTAD)。由于空穴遷移率不高，最初基于Spiro-OMeTAD制備的器件效率并不理想。研究發(fā)現(xiàn)通過添加Lithium-bis(trifluoromethanesulphonyl)imide(Li-TFSI)和4-tert-butylpyridine(TBP)等，可以顯著改善其空穴遷移率，并獲得了較高的效率。這也為全固態(tài)鈣鈦礦太陽能電池打下了基矗圖1.2-1NREL給出的各類太陽能電池認證效率進展[2]

61.2.2全固態(tài)鈣鈦礦太陽能電池2012年，Park基于CH3NH3PbI3鈣鈦礦材料制備了結(jié)構(gòu)為FTO/(CH3NH3)PbI3+TiO2+HTM/HTM(Spiro-OMeTAD)/Au的全固態(tài)太陽能電池，如圖1.2-2所示，并獲得了高達9.7%的效率[6]。由于采用了全固態(tài)設(shè)計，避免了電解液的不利影響，因此電池的穩(wěn)定性也顯著改善。這一固態(tài)結(jié)構(gòu)的設(shè)計使鈣鈦礦太陽能電池的研究邁入了一個新的階段。同年，Snaith基于溶液法制備了介孔超結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽能電池（結(jié)構(gòu)如圖1.2-3所示），并取得了10.9%的光電轉(zhuǎn)換效率[3]。有趣的是，電池采用了絕緣的Al2O3作為骨架層，但仍然表現(xiàn)出了高效的電荷遷移。并獲得了高達1.1eV的開路電壓。由于Al2O3是絕緣材料，這意味著鈣鈦礦不僅可以作為光吸收層還可以傳輸電子，電荷遷移示意圖如圖1.2-4所示。絕緣層的存在迫使電子滯留在鈣鈦礦內(nèi)并在鈣鈦礦自身傳輸，因此降低了能量損失，基于1.55eV帶隙的鈣鈦礦獲得了高達1.1eV的開路電壓。至此，掀起了鈣鈦礦研究的熱潮。僅僅時隔一年之后，2013年鈣鈦礦太陽能電池的效率突飛猛進，Seok使用溶劑工程，將PbI2,PbBr2,MAI和MABr溶解在γ-丁內(nèi)酯（GBL）和二甲基亞砜（DMSO）圖1.2-2全固態(tài)鈣鈦礦太陽能電池結(jié)構(gòu)圖[6]圖1.2-3介孔超結(jié)構(gòu)電池結(jié)構(gòu)示意圖[3]


本文編號：3232015