近十年內,鈣鈦礦太陽能電池光電轉換效率從3.8%迅速增長到25.2%,效率已可與傳統(tǒng)硅太陽能電池媲美,展示出極佳的商業(yè)應用前景與價值。其中,鈣鈦礦吸光材料是電池核心,具有極佳的光吸收特性,較小的激子束縛能,獨特的雙載流子,高載流子遷移率以及可調的光學帶隙等特性,備受研究者們的關注。本論文主要聚焦于鈣鈦礦太陽能電池材料的帶隙調控及低毒制備工藝,針對鈣鈦礦太陽能電池吸光層的組分調控與制備方法,以及新的無毒穩(wěn)定空穴傳輸層材料制備與應用等科學問題開展研究工作。主要研究內容及結論如下:1.發(fā)明了一種高效穩(wěn)定甲胺鉛碘鈣鈦礦薄膜及電池的綠色混合反溶劑法制備工藝。利用一種簡單的綠色混合反溶劑的方法,通過選用乙酸乙酯及異丙醇替代傳統(tǒng)鈣鈦礦太陽能電池制備工藝中常用的有毒的氯苯為混合反溶劑,最終得到了均一致密且晶界較少的高質量鈣鈦礦薄膜,并研究了相應的鈣鈦礦太陽能電池性能。其中,深入探討了不同組分反溶劑的引入對鈣鈦礦薄膜光電性能的影響。通過混合反溶劑帶來的晶粒增長效應,太陽能電池光電轉換效率及穩(wěn)定性有了明顯提升,且器件回滯效應得到有效抑制。優(yōu)化條件下,獲得最佳光電轉換效率為18.98%的反式平面鈣鈦礦太陽能... 

【文章來源】：濟南大學山東省

【文章頁數(shù)】：73 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

(a)有機無機雜化鈣欽礦材料立方晶體結構；(b)MAPbI3的能帶結構圖

濟南大學碩士學位論文31.1.2鈣鈦礦太陽能電池研究進展有機無機雜化鈣鈦礦材料最初應用于染料敏化電池太陽能電池中作為光活性層料，但由于出色的光電特性及更加理想的電池結構，其光器件效率早己超過敏化電池.Miyasaka課題組于2009年首先將有機無機雜化鈣鈦礦材料用作染料敏化太陽能電池中的吸光層，然而由于材料本身水穩(wěn)定性較差，在含液態(tài)電解質的染料敏化電池器件中，器件光電轉換效率僅為3.8%且電池穩(wěn)定性較差[38]。之后，Park課題組通過優(yōu)化制備工藝，得到了6.5%效率的以有機無機雜化鈣鈦礦材料為吸光層的染料敏化電池器件。但由于器件制備過程中仍使用液態(tài)電解液作為載流子的提取及傳輸介質，器件的穩(wěn)定性問題仍未得到有效解決[39]。2012年，Grazel等通過對器件制備工藝進行優(yōu)化，同時拋棄染料敏化電池中常用的液態(tài)電解液而選取新的空穴傳輸材料作為傳輸介質，首次制備了9%光電轉換效率的全固態(tài)的鈣鈦礦太陽能電池，且穩(wěn)定性得到大幅提升[40]。之后，Gratzel等以染料敏化電池中常用的多孔Ti02為鈣鈦礦填充材料，獲得了效率超過12%的全固態(tài)介孔結構的鈣鈦礦太陽能電池[41]。為了更深一步了解鈣鈦礦太陽能電池器件原理，簡化制備方法，Snaith等拋棄了經典Ti02介孔結構，以有機空穴傳輸材料spiro-OMeTAD為空穴傳輸層，通過采用雙源共蒸發(fā)法在Ti02致密層上制備了鈣鈦礦吸光層，首次提出了n-i-p型平面異質結鈣鈦礦太陽能電池[42]。此后鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展步入快車道，至今已達最高光電轉換效率25.2%。相應各類太陽能電池最高光電轉換效率如圖所示：圖1.2美國國家可再生能源實驗室（NREL）認證光伏電池效率發(fā)展示意圖[111]

帶隙可調鈣鈦礦太陽能電池綠色制備工藝及性能研究6圖1.3（a）多步旋涂法及（b）真空雙源共蒸法制備CsPbBr3薄膜CsPbBr3是潛在的適用于商業(yè)化大面積制備的穩(wěn)定性極佳的鈣鈦礦材料。相比于CsPbI3而言，CsPbBr3室溫下?lián)碛袠O佳的穩(wěn)定性。但由于銫鹽在有機溶劑中較低的溶解度，傳統(tǒng)一步成膜法制備不適用于高性能鈣鈦礦太陽能電池器件的制備[63]。針對此問題，Tang課題組報道了多步成膜法制備含溴的全無機鈣鈦礦CsPbBr3薄膜。其制備過程如圖1.3（a）所示：通過在TiO2介孔襯底上制備PbBr2后重復旋涂CsBr并依次退火，最終獲得了光電轉換效率為9.72%的鈣鈦礦太陽能電池[64]。然而由于CsPbBr3薄膜多步旋涂法工藝繁瑣，因此不利于此類電池進一步商業(yè)化應用。為解決此問題，真空雙源氣相沉積[67]、脈沖激光沉積等[68]物理氣相法逐步被引入到CsPbBr3薄膜的制備中，在降低工藝繁瑣程度的同時，避免了液相法中DMF等有毒溶劑的使用，為純無機鈣鈦礦太陽能電池商業(yè)化發(fā)展提供了有效途徑。1.3本論文研究內容本論文主要聚焦于鈣鈦礦太陽能電池低毒制備工藝，針對鈣鈦礦太陽能電池吸光層的組分調控及制備方法，以及新的無毒穩(wěn)定空穴傳輸層材料制備與應用等科學問題進行了系統(tǒng)分析與研究。通過液相法與氣相法等鈣鈦礦材料制備方法的創(chuàng)新與優(yōu)化，獲得了高質量的目標鈣鈦礦薄膜材料，進而提升了電池器件的光電轉換效率，主要開展了以下研究工作：1.利用綠色混合反溶劑工程在降低器件制備過程中有毒溶劑使用的同時，得到了致密均一的高質量MAPbI3鈣鈦礦薄膜，并獲得了高性能的鈣鈦礦太陽能電池。通過對反溶劑組分加以控制，實現(xiàn)了鈣鈦礦薄膜晶粒尺度的調控。利用掃描電子顯微鏡(SEM)，X射線衍射（XRD)、光吸收譜(ABS)、穩(wěn)態(tài)光致發(fā)光譜(PL)及瞬態(tài)熒光光譜(TRPL)對材料的?

【參考文獻】：
期刊論文
[1]金屬表面等離子體增強半導體納米材料光催化機理研究進展[J]. 方明,譚小麗.  南通大學學報(自然科學版). 2019(02)
[2]基于印刷技術制備鈣鈦礦太陽電池[J]. 李恒月,龔辰迪,黃可卿,陽軍亮.  材料導報. 2018(09)



本文編號：3524454