無空穴傳輸層碳基鈣鈦礦太陽能電池的制備及性能研究
發(fā)布時間：2021-08-31 02:54
鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的高性能和簡單的制造工藝在科學界引起了越來越多的關注。在過去的幾年中,新興技術使制造大型PSCs模塊成為可能。然而,空穴傳輸材料（HTM）和貴金屬電極（Au或Ag）在傳統(tǒng)PSCs結(jié)構(gòu)中的應用,由于價格昂貴且在環(huán)境空氣中不穩(wěn)定,加速了器件的衰減并增加了生產(chǎn)成本,從而阻礙了PSCs的生產(chǎn)規(guī)模和實際應用。因此為了解決上述問題,本文在較高的光電轉(zhuǎn)換效率的基礎上降低其成本,以碳替代貴金屬作為電池的對電極,在不使用昂貴的空穴傳輸層情況下,通過涂覆引入碳電極以提高器件的性能。論文的研究內(nèi)容如下:（1）從降低鈣鈦礦太陽能電池的制備成本出發(fā),使用導電碳漿作為碳電極,采用兩步旋涂法制備鈣鈦礦薄膜,發(fā)現(xiàn)制備所得的CH3NH3PbI3晶粒尺寸較小,結(jié)晶不完全,界面間有孔洞和缺陷存在。并將制備的鈣鈦礦薄膜應用于制造無空穴傳輸層碳基鈣鈦礦太陽能電池,對FTO/c-TiO2/m-TiO2/CH3NH3PbI3/C結(jié)...
【文章來源】：內(nèi)蒙古大學內(nèi)蒙古自治區(qū) 211工程院校
【文章頁數(shù)】：64 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
不同類型的太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率發(fā)展圖[14]
內(nèi)蒙古大學碩士學位論文4圖1.2（a）立方晶（α相）的晶體結(jié)構(gòu)[31]，（b）MAPbX3的四方晶系（β）相和正交晶（γ）相的晶體結(jié)構(gòu)[32]，（c）對于不同鈣鈦礦材料系統(tǒng)的公差系數(shù)，t=1是理想的[33]Fig.1.2(a)Crystalstructureofcubic(αphase)[31],(b)crystalstructureofthetetragonalcrystalsystem(β)phaseandorthorhombic(γ)phaseofMAPbX3[32],and(c)thetolerancefactorfordifferentperovskitematerialsystems,t=1isideal[33]鈣鈦礦材料（CH3NH3PbI3）隨溫度發(fā)生可逆的相變[34]。在大約100K的低溫下，存在一個穩(wěn)定的斜方晶（γ）相，并且四方（β）相和斜方晶（γ）相之間的相變發(fā)生在160K左右。三相的晶體結(jié)構(gòu)如圖1.2（a-c）所示。方形立方相變部分影響了基于MAPbI3的PSCs的熱穩(wěn)定性[35]。在基于甲基銨碘化鉛（HC(NH2)2PbI3）的鈣鈦礦中，在較高溫度下會發(fā)生類似的相變，因此與MAPbI3相比，它相對穩(wěn)定。最近的一份報告顯示，光浸潤還能在鹵化鈣鈦礦材料中誘導可逆的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變[36]。1.2.3鈣鈦礦太陽能電池的組成和工作原理傳統(tǒng)的PSCs由5部分組成，如圖1.3（a）所示。它們是透明電極（通常是氧化銦錫（ITO）或氟摻雜的氧化錫（FTO）），電子傳輸層，鈣鈦礦活性層，空穴傳輸層以及金屬背電極。其中，電子傳輸層是用來收集與傳輸鈣鈦礦活性層中產(chǎn)生的光生電子，以及阻擋空穴的。鈣鈦礦太陽能電池通過以下過程工作：（i）鈣鈦礦層吸收入射光，（ii）分別提取ETM和HTM并傳輸生成的電子和空穴，如圖1.3（b）所示。最后，電極收集了電荷載流子，形成鈣鈦礦太陽能電池的完整循環(huán)。為了確保有效的電荷分離并完成整個過程，這些功能層之間的能量對齊起著關鍵作用。通常，HTM的最高占據(jù)分子軌道（HOMO）必須大于最大價帶
內(nèi)蒙古大學碩士學位論文5（VBM），而ETM的最小導帶（CBM）必須小于鈣鈦礦材料的CBM[37]。ETM的CBM值過高或HTM的HOMO值過低將阻礙電子/空穴的提取，對性能產(chǎn)生不利影響。圖1.3（a）鈣鈦礦器件結(jié)構(gòu)示意圖，（b）鈣鈦礦太陽能電池的工作原理[38]Fig.1.3(a)Schematicillustrationofperovskitedevicestructure,(b)workingprincipleofperovskitesolarcells[38]1.2.4鈣鈦礦太陽能電池的結(jié)構(gòu)PV中使用的第一批OMHPs被用作DSSCs中染料敏化劑的直接替代品[13,39]。典型的DSSCs結(jié)構(gòu)采用幾微米厚的多孔TiO2層，該層被吸收劑染料材料涂覆并滲透。電極組件與包含氧化還原對的液體電解質(zhì)接觸[40]。在這些器件中，TiO2用于收集和傳輸電子，而電解質(zhì)則充當空穴導體。最初的鈣鈦礦太陽能電池是從這種相同的結(jié)構(gòu)演變而來的，而OMHP材料只是充當染料的替代品[9,22]。當所謂的介觀器件結(jié)構(gòu)出現(xiàn)時，人們的興趣增加了。圖1.4（a）是通過用固態(tài)空穴導體代替液體電解質(zhì)而形成的[9,22]。這一進步引起了PV界的極大興趣，并吸引了薄膜PV和OPV界的專家。結(jié)果，開發(fā)了其中將OMHP吸收劑夾在電子和空穴傳輸材料（ETM和HTM）之間的平面器件結(jié)構(gòu)。根據(jù)首先遇到的是哪種傳輸材料，這些平面結(jié)構(gòu)可以分為常規(guī)的n-i-p圖1.4（b）或倒置的p-i-n圖1.4（c）結(jié)構(gòu)。最近，還開發(fā)了介觀的p-i-n結(jié)構(gòu)圖1.4（d）[41,42]。由于工藝上的差異，器件結(jié)構(gòu)決定了電荷傳輸（ETM和HTM）和收集（陰極和陽極）材料的選擇，相應的材料制備方法，以及器件的性能。迄今為止，由于透明導電氧化物（TCO）的常規(guī)沉積技術可能導致OMHP表面的分解，因此尚未在不透明的基底（例如，Ti箔）上構(gòu)建具有顯著效率的鈣鈦礦器件[43,44]。1.2.4.1常規(guī)n-i-p結(jié)構(gòu)介觀n-i-p結(jié)構(gòu)是鈣鈦礦PV器件的原始體系結(jié)構(gòu)，至今仍廣泛用于制造高?
本文編號：3374038
【文章來源】：內(nèi)蒙古大學內(nèi)蒙古自治區(qū) 211工程院校
【文章頁數(shù)】：64 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
不同類型的太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率發(fā)展圖[14]
內(nèi)蒙古大學碩士學位論文4圖1.2（a）立方晶（α相）的晶體結(jié)構(gòu)[31]，（b）MAPbX3的四方晶系（β）相和正交晶（γ）相的晶體結(jié)構(gòu)[32]，（c）對于不同鈣鈦礦材料系統(tǒng)的公差系數(shù)，t=1是理想的[33]Fig.1.2(a)Crystalstructureofcubic(αphase)[31],(b)crystalstructureofthetetragonalcrystalsystem(β)phaseandorthorhombic(γ)phaseofMAPbX3[32],and(c)thetolerancefactorfordifferentperovskitematerialsystems,t=1isideal[33]鈣鈦礦材料（CH3NH3PbI3）隨溫度發(fā)生可逆的相變[34]。在大約100K的低溫下，存在一個穩(wěn)定的斜方晶（γ）相，并且四方（β）相和斜方晶（γ）相之間的相變發(fā)生在160K左右。三相的晶體結(jié)構(gòu)如圖1.2（a-c）所示。方形立方相變部分影響了基于MAPbI3的PSCs的熱穩(wěn)定性[35]。在基于甲基銨碘化鉛（HC(NH2)2PbI3）的鈣鈦礦中，在較高溫度下會發(fā)生類似的相變，因此與MAPbI3相比，它相對穩(wěn)定。最近的一份報告顯示，光浸潤還能在鹵化鈣鈦礦材料中誘導可逆的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變[36]。1.2.3鈣鈦礦太陽能電池的組成和工作原理傳統(tǒng)的PSCs由5部分組成，如圖1.3（a）所示。它們是透明電極（通常是氧化銦錫（ITO）或氟摻雜的氧化錫（FTO）），電子傳輸層，鈣鈦礦活性層，空穴傳輸層以及金屬背電極。其中，電子傳輸層是用來收集與傳輸鈣鈦礦活性層中產(chǎn)生的光生電子，以及阻擋空穴的。鈣鈦礦太陽能電池通過以下過程工作：（i）鈣鈦礦層吸收入射光，（ii）分別提取ETM和HTM并傳輸生成的電子和空穴，如圖1.3（b）所示。最后，電極收集了電荷載流子，形成鈣鈦礦太陽能電池的完整循環(huán)。為了確保有效的電荷分離并完成整個過程，這些功能層之間的能量對齊起著關鍵作用。通常，HTM的最高占據(jù)分子軌道（HOMO）必須大于最大價帶
內(nèi)蒙古大學碩士學位論文5（VBM），而ETM的最小導帶（CBM）必須小于鈣鈦礦材料的CBM[37]。ETM的CBM值過高或HTM的HOMO值過低將阻礙電子/空穴的提取，對性能產(chǎn)生不利影響。圖1.3（a）鈣鈦礦器件結(jié)構(gòu)示意圖，（b）鈣鈦礦太陽能電池的工作原理[38]Fig.1.3(a)Schematicillustrationofperovskitedevicestructure,(b)workingprincipleofperovskitesolarcells[38]1.2.4鈣鈦礦太陽能電池的結(jié)構(gòu)PV中使用的第一批OMHPs被用作DSSCs中染料敏化劑的直接替代品[13,39]。典型的DSSCs結(jié)構(gòu)采用幾微米厚的多孔TiO2層，該層被吸收劑染料材料涂覆并滲透。電極組件與包含氧化還原對的液體電解質(zhì)接觸[40]。在這些器件中，TiO2用于收集和傳輸電子，而電解質(zhì)則充當空穴導體。最初的鈣鈦礦太陽能電池是從這種相同的結(jié)構(gòu)演變而來的，而OMHP材料只是充當染料的替代品[9,22]。當所謂的介觀器件結(jié)構(gòu)出現(xiàn)時，人們的興趣增加了。圖1.4（a）是通過用固態(tài)空穴導體代替液體電解質(zhì)而形成的[9,22]。這一進步引起了PV界的極大興趣，并吸引了薄膜PV和OPV界的專家。結(jié)果，開發(fā)了其中將OMHP吸收劑夾在電子和空穴傳輸材料（ETM和HTM）之間的平面器件結(jié)構(gòu)。根據(jù)首先遇到的是哪種傳輸材料，這些平面結(jié)構(gòu)可以分為常規(guī)的n-i-p圖1.4（b）或倒置的p-i-n圖1.4（c）結(jié)構(gòu)。最近，還開發(fā)了介觀的p-i-n結(jié)構(gòu)圖1.4（d）[41,42]。由于工藝上的差異，器件結(jié)構(gòu)決定了電荷傳輸（ETM和HTM）和收集（陰極和陽極）材料的選擇，相應的材料制備方法，以及器件的性能。迄今為止，由于透明導電氧化物（TCO）的常規(guī)沉積技術可能導致OMHP表面的分解，因此尚未在不透明的基底（例如，Ti箔）上構(gòu)建具有顯著效率的鈣鈦礦器件[43,44]。1.2.4.1常規(guī)n-i-p結(jié)構(gòu)介觀n-i-p結(jié)構(gòu)是鈣鈦礦PV器件的原始體系結(jié)構(gòu)，至今仍廣泛用于制造高?
本文編號：3374038
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