鈣鈦礦太陽能電池電子傳輸層的界面修飾及機(jī)理研究

發(fā)布時間：2020-04-15 18:01

【摘要】：隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會進(jìn)步,人類對能源的需求量將不斷增加。然而,由于傳統(tǒng)化石能源的不可再生性,以及對環(huán)境造成的污染問題,威脅著人類的生存環(huán)境。未來對新能源的開發(fā)利用,是解決能源危機(jī)和環(huán)境污染的有效途徑。太陽能是取之不盡,用之不竭的清潔能源,其中太陽能電池是利用太陽能最重要和有效的方式。自2009年以來,鈣鈦礦太陽能電池(Perovskite solar cells,PSCs)以其能量轉(zhuǎn)換效率高、制造工藝簡單、成本低廉、易于大面積制備等優(yōu)點(diǎn)備受研究人員青睞。電子傳輸層是鈣鈦礦太陽能電池的重要組成部分,在鈣鈦礦太陽能電池中起電子萃取與傳輸?shù)淖饔谩iO2是一種寬禁帶半導(dǎo)體材料,具備良好的透光性、化學(xué)穩(wěn)定性和較強(qiáng)的電荷分離能力,是鈣鈦礦太陽能電池最常用的電子傳輸材料。然而,TiO2納米材料存在下面這些缺點(diǎn),影響電池轉(zhuǎn)換效率:(1)TiO2納米材料存在大量的氧缺陷和空位,易發(fā)生電荷復(fù)合;(2)TiO2與CH3NH3PbI3鈣鈦礦材料間存在較大的能級差影響電子的快速注入和開路電壓;(3)電子在Tio2電子傳輸層中的遷移率比較低,容易與空穴發(fā)生復(fù)合。本論文針對鈣鈦礦太陽能電池中TiO2電子傳輸層影響電池轉(zhuǎn)換效率的問題,采用界面修飾的方法,提高電池的性能,所做的工作有以下幾個方面:1.稀土元素?fù)诫sTi02電子傳輸層。通過溶液旋涂法在透明導(dǎo)電基底FTO上依次沉積致密TiO2電子傳輸層、CH3NH3PbI3吸收層、spiro-OMeTAD空穴傳輸層,然后利用磁控濺射技術(shù)沉積Ag電極,制備出平面結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽能電池。元素?fù)诫s,特別是稀土元素?fù)诫sTiO2,可調(diào)控TiO2的能帶結(jié)構(gòu)、電子親和性和電子遷移率。本文首次采用Stm元素?fù)诫sTiO2致密電子傳輸層,使禁帶寬度變寬,提高了開路電壓,同時抑制了電子與空穴的復(fù)合。當(dāng)Sm3+離子濃度為0.3%時,電池獲得14.10%的轉(zhuǎn)換效率。最后,與染料敏化太陽能電池進(jìn)行了對比研究。2.制備高性能混晶相介孔TiO2電子傳輸層。TiO2電子傳輸層的組成和結(jié)構(gòu)影響著鈣鈦礦吸光層的形成和電子萃取和傳輸性能。本文通過水熱法在致密的TiO2種子層上制備混晶相介孔TiO2薄膜,通過控制薄膜生長的反應(yīng)時間和退火時間來控制多孔TiO2薄膜的物相組成、晶粒尺寸、薄膜厚度與空隙率。對基于不同介孔TiO2薄膜的鈣鈦礦太陽能電池進(jìn)行光電性能測試,結(jié)果表明電池基于水熱反應(yīng)1 h退火0.5 h所制備的TiO2薄膜(H1-A0.5)表現(xiàn)出高效的光電轉(zhuǎn)換效率(19.87%)。3.石墨烯量子點(diǎn)(GQDs)修飾介孔Ti02電子傳輸層。GQDs由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征和量子限域、邊緣效應(yīng),表現(xiàn)出了很多與其他形貌的石墨烯不同的性質(zhì)。本文通過水熱法制備出含-OH,-COOH和-NH2的石墨烯量子點(diǎn),然后用其修飾TiO2介孔薄膜,應(yīng)用于鈣鈦礦太陽能電池中。由于GQDs表面含有眾多的羥基和羧基,自身帶有一定量的負(fù)電荷,使GQD易吸附在TiO2表面。GQDs的-OH、-COOH能與TiO2中Ti4+鍵合,同時,GQDs中的-NH2與鈣鈦礦中Pb2+形成配位鍵,并與I-形成氫鍵,從而有效地提升電子的注入和遷移速率,減少電子與空穴的復(fù)合,提高電池性能。當(dāng)選用0.001 mgml-1 GQDs修飾TiO2薄膜時,電池效率從17.86%提升到19.21%。
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