本文關鍵詞：空氣中鈣鈦礦電池的制備及薄膜性質(zhì)的研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：有機/無機雜化鈣鈦礦材料具有光吸收范圍廣、載流子遷移率高、電子空穴擴散長度長、容易制備等優(yōu)點,是一種較為理想的太陽能電池材料。近年來,有機/無機雜化鈣鈦礦太陽能電池在制備方法、電池結構、材料性質(zhì)等研究領域均取得了豐碩的研究成果。通過不斷的優(yōu)化電池制備工藝和電池結構,短短幾年的時間里,鈣鈦礦電池的效率超過了20%,顯示出極大的發(fā)展?jié)摿�。雖然鈣鈦礦材料能夠制備出高效率的太陽能電池,但是有機/無機雜化鈣鈦礦材料對水等極性溶劑比較敏感,晶體結構很容易被極性溶劑破壞且不能恢復,這一特點對電池的性能、穩(wěn)定性有著極為不利的影響,也對電池的制備環(huán)境提出了較高的要求。目前,大部分的高效率電池都在手套箱等無水的環(huán)境下制備獲得,這不僅使鈣鈦礦電池制備操作更復雜,還阻礙了鈣鈦礦電池產(chǎn)業(yè)化的進程。因此研究鈣鈦礦電池在空氣中制備的條件和空氣中鈣鈦礦薄膜的性質(zhì),對于降低鈣鈦礦電池的制備成本、研究鈣鈦礦電池穩(wěn)定性有重要的意義。本文重點探究空氣中高效鈣鈦礦電池制備方法和薄膜性質(zhì)的變化,主要內(nèi)容包括四個方面:1、CH_3NH_3PbI_(3-x)Cl_x和CH_3NH_3PbI_3是廣泛用于制備鈣鈦礦電池的兩種材料。XRD表征結果證實,我們在空氣中使用一步旋涂法成功制備出了這兩種鈣鈦礦薄膜。研究發(fā)現(xiàn),由于空氣中制備的CH_3NH_3PbI_3薄膜表面覆蓋率不高,制備的電池效率很低。相比之下,CH_3NH_3PbI_(3-x)Cl_x薄膜晶粒之間連接更加緊密,表面覆蓋率更高,能夠在空氣中制備出較高效率的電池。在此基礎上,以CH_3NH_3PbI_(3-x)Cl_x作為活性層,深入研究了空氣中介孔鈣鈦礦電池和平面鈣鈦礦電池的制備條件。通過逐步退火的方法(70℃退火30 min,再100℃退火15 min)對鈣鈦礦薄膜進行熱處理,獲得了轉(zhuǎn)換效率7.22%的介孔電池。平面結構鈣鈦礦電池(ITO/PEDOT:PSS/CH3NH3Pb I3-xClx/PCBM/C60/Al)也獲得了4.66%的效率。2、一步旋涂法由于操作簡便,是制備鈣鈦礦電池的常用方法之一。而在相對濕度較大的空氣中,由于水分對鈣鈦礦薄膜成核過程的影響,一步旋涂法很難制備出致密的鈣鈦礦薄膜以獲得高效率的鈣鈦礦電池。利用真空退火能夠在非手套箱環(huán)境中制備出高性能太陽能電池所需的鈣鈦礦薄膜。在真空中由于溶劑快速揮發(fā),鈣鈦礦薄膜在結晶的過程晶核數(shù)量增加,能夠形成致密的鈣鈦礦薄膜。使用這種退火方式熱處理鈣鈦礦薄膜,在50%左右的相對空氣濕度的條件下制備出了轉(zhuǎn)換效率12.98%的平面結構(ITO/PEDOT:PSS/CH_3NH_3PbI_(3-x)Cl_x/PCBM/C60/Al)鈣鈦礦電池,獲得1.02 V的開路電壓和18.00 mA/cm2的短路電流。而同種環(huán)境下,直接在空氣中熱退火制備的平面電池最高轉(zhuǎn)換效率只有9.2%。電池的穩(wěn)定性也是衡量鈣鈦礦電池性能好壞的重要標準,本文中用不同熱退火方式制備的鈣鈦礦電池,在手套箱中都表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性,在近1000小時的跟蹤測量中,電池的開路電壓和短路電流基本保持不變。3、真空處理鈣鈦礦薄膜雖然能夠在空氣中獲得較高效率的鈣鈦礦電池,但不同的真空處理方式對鈣鈦礦薄膜的晶粒大小和表面覆蓋率有很大的影響,制備出來的電池性能也存在較大的差異。四種不同真空處理方式(1、95℃真空退火90 min。2、常溫真空(10pa左右)處理10 min,再95℃真空熱退火90 min。3、常溫真空(10pa左右)處理10 min,再95℃空氣中熱退火90 min。4、95℃空氣中熱退火90 min)制備的電池效率分別為13.44%、11.44%、8.13%、7.96%。通過對比可以看到,直接真空熱退火能夠在空氣中獲得更高效率的電池。研究發(fā)現(xiàn),即使是直接真空熱退火鈣鈦礦薄膜,如果薄膜旋涂后在空氣中暴露的時間過長或真空熱退火后薄膜在高溫下直接接觸空氣,也會導致制備的電池效率不高。4、鈣鈦礦電池的穩(wěn)定性和效率與鈣鈦礦薄膜的性質(zhì)密切相關。在前面的實驗過程中發(fā)現(xiàn),旋涂的薄膜在與空氣接觸的過程中不斷發(fā)生變化。針對這一現(xiàn)象進行了更細致的研究:薄膜旋涂后在空氣中放置10 min,會生成一種花斑纖維狀的物質(zhì);薄膜旋涂后經(jīng)過常溫真空處理,在接觸空氣的2 min時間里,鈣鈦礦薄膜的顏色由淡黃色迅速變成深棕色,最后變成灰色。繼續(xù)暴露在空氣中1小時后逐漸形成一種纖維狀的物質(zhì)。XRD和SEM的跟蹤測量表明這期間薄膜的晶體結構和表面形貌都在發(fā)生變化。另外,為了尋找電池在空氣中壽命極短的原因,我們對鈣鈦礦薄膜在空氣中的性質(zhì)變化進行了研究。通過長時間的XRD和SEM跟蹤測量發(fā)現(xiàn),經(jīng)過熱退火形成的鈣鈦礦薄膜在50%相對濕度空氣中放置一個星期,晶體結構和表面形貌都沒有發(fā)生明顯的變化。
【關鍵詞】：鈣鈦礦電池 大氣環(huán)境 真空退火 薄膜性質(zhì)
【學位授予單位】：西南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要7-9
• Abstract9-11
• 第1章 緒論11-23
• 1.1 太陽能電池研究背景11
• 1.2 太陽能電池概述11-12
• 1.3 鈣鈦礦太陽能電池12-17
• 1.3.1 有機/無機鈣鈦礦材料12-13
• 1.3.2 鈣鈦礦電池結構13-15
• 1.3.4 鈣鈦礦電池制備工藝15-17
• 1.4 影響鈣鈦礦電池性能的因素17-20
• 1.4.1 水破壞鈣鈦礦晶體結構17-19
• 1.4.2 適量水增強鈣鈦礦結晶19-20
• 1.4.3 空氣中制備鈣鈦礦電池20
• 1.5 論文選題依據(jù)和研究內(nèi)容20-23
• 第2章 實驗試劑和實驗儀器及表征方法23-28
• 2.1 鈣鈦礦制備所需實驗藥品23-24
• 2.2 鈣鈦礦太陽能電池制備及性能表征所用儀器設備24
• 2.3 鈣鈦礦電池器件的制備24-25
• 2.4 鈣鈦礦電池器件和薄膜表征方法25-28
• 2.4.1 伏安特性曲線25-26
• 2.4.2 外量子效率26
• 2.4.3 XRD表征26-27
• 2.4.4 SEM表征27
• 2.4.5 其他表征方法27-28
• 第3章 空氣中鈣鈦礦電池制備基礎研究28-37
• 3.0 背景介紹28
• 3.1 材料準備28-29
• 3.2 介孔鈣鈦礦電池制備29-33
• 3.2.1 實驗部分29-30
• 3.2.3 結果與討論30-33
• 3.3 平面結構鈣鈦礦電池制備33-35
• 3.3.1 實驗部分33-34
• 3.3.2 實驗結果與討論34-35
• 3.4 本章小結35-37
• 第4章 空氣中一步旋涂制備高效率鈣鈦礦電池37-47
• 4.1 背景介紹37-38
• 4.2 實驗部分38
• 4.3 結果與討論38-46
• 4.3.1 鈣鈦礦薄膜XRD表征38-39
• 4.3.2 鈣鈦礦薄膜的SEM表征39-40
• 4.3.3 電池的J-V曲線40-41
• 4.3.4 C60的厚度對器件性能的影響41-42
• 4.3.5 鈣鈦礦層不同退火時間和溫度對器件性能的影響42-43
• 4.3.6 PEDOT:PSS和PCBM轉(zhuǎn)速對器件性能的影響43
• 4.3.7 器件重復性和性能進一步研究43-45
• 4.3.8 器件穩(wěn)定性的測量45-46
• 4.4 本章小結46-47
• 第5章 真空處理對鈣鈦礦薄膜和器件性能的影響47-53
• 5.1 背景介紹47
• 5.2 實驗部分47
• 5.3 結果與討論47-52
• 5.3.1 鈣鈦礦薄膜的XRD表征48
• 5.3.2 鈣鈦礦薄膜的SEM表征48-49
• 5.3.3 電池的J-V曲線特性49-50
• 5.3.4 真空退火不同操作對鈣鈦礦電池的影響50-52
• 5.4 本章小結52-53
• 第6章 空氣中鈣鈦礦薄膜性質(zhì)研究53-59
• 6.1 背景介紹53
• 6.2 實驗部分53
• 6.3 結果與討論53-58
• 6.3.1 薄膜旋涂后放置在空氣的變化53-54
• 6.3.2 薄膜在空氣中放置后的SEM特征54-55
• 6.3.3 薄膜在空氣中放置后的XRD特征55-56
• 6.3.4 熱退火處理空氣中暴露后的薄膜56-57
• 6.3.5 空氣中長時間放置的鈣鈦礦薄膜特征57-58
• 6.5 本章小結58-59
• 第7章 結論與展望59-61
• 7.1 結論59-60
• 7.2 展望60-61
• 參考文獻61-74
• 致謝74-75
• 研究生期間科研工作情況75

【相似文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 王曉莉,姚熹;復雜組成鈣鈦礦材料中的納米分相[J];西安交通大學學報;1995年09期

2 莊志強;王蘊輝;施紅陽;;鈮鎂酸鉛類鈣鈦礦結構鐵電多晶體的制備技術[J];華南理工大學學報(自然科學版);1992年03期

3 趙旭,栗萍,唐貴德,張變芳,禹日程;Nb摻雜對雙鈣鈦礦化合物居里溫度的影響[J];河北師范大學學報;2004年04期

4 李福q，

本文編號：427869