【摘要】：近年來,有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池因其在效率方面突飛猛進的提升而引起了研究者們的廣泛關(guān)注,其光電轉(zhuǎn)換效率已由2009年報道的3.8%發(fā)展到現(xiàn)在的22.7%,并且鈣鈦礦太陽能電池可采取低溫溶液法處理、制備工藝簡單以及成本低。但由于鈣鈦礦太陽能電池對制備和使用環(huán)境敏感,使得鈣鈦礦太陽能電池的商業(yè)性應(yīng)用受到極大限制。因此,如何提高鈣鈦礦太陽能電池器件的環(huán)境穩(wěn)定性成為丞待解決的問題。為了改善鈣鈦礦材料的本征穩(wěn)定性,本文通過引入部分陽離子以及陰離子對甲脒鉛碘(FAPbI_3)進行摻雜,選取了不同的摻雜比例,利用Cs~+對結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)作用以及Br~-部分替代鹵素能減少缺陷的作用,探索了混合的陽離子FA~+/Cs~+以及陰離子Br~-/I~-對鈣鈦礦材料性能的影響。通過對旋涂轉(zhuǎn)速、反溶劑、加熱溫度及時間等因素的探索,確定了最佳的薄膜制備工藝。最終確定了在空氣環(huán)境中鈣鈦礦的最優(yōu)摻雜比例為FA_(0.8)Cs_(0.2)PbI_(2.68)Br_(0.32),制得的電池取得了13.9%的效率,并且在相對濕度為60±5%的濕氣環(huán)境中測試10天后,仍保持原始效率的82.5%,而FAPbI_3電池在含水分的空氣環(huán)境中降解很快,到第4天后就幾乎無響應(yīng)。在此基礎(chǔ)上,在前驅(qū)體溶液中加入Pb(SCN)_2添加劑,研究了其對鈣鈦礦薄膜質(zhì)量的調(diào)節(jié)以及對電池穩(wěn)定性的改善作用。結(jié)果表明含添加劑的鈣鈦礦薄膜的晶粒取向性增強結(jié)晶度更高,薄膜的平整致密性增強覆蓋率提高。以含2mol%添加劑的薄膜制備成的電池效率最高達17.0%,在相對濕度為60±5%濕氣環(huán)境中測試45天后效率保持在初始效率的85.1%以及在光濕氛圍下測試30天后保持61.2%的初始效率。
【圖文】：

現(xiàn)在的22.7%[10]，如圖1-1所示。鈣鈦礦型材料作為其中起關(guān)鍵作用的光敏材料，具有合適的禁帶寬度和較高的吸光系數(shù)能有效利用太陽光，并且有較高的雙極性載流子遷移率和較長的擴散長度以保證光電效應(yīng)的發(fā)生。鈣鈦礦太陽能電池允許低溫溶液法制備，工藝簡單易操作，，成本小能耗低，在短短幾年內(nèi)效率突飛猛進，成為了目前最有前途的新型太陽能電池。圖 1-1 鈣鈦礦太陽能電池的效率發(fā)展圖Fig. 1-1 The chart of the developing efficiencies of perovskite solar cells1.2 鈣鈦礦太陽能電池的簡介1.2.1 電池的器件結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽能電池目前主要采用的有兩種結(jié)構(gòu)（如圖 1-2 所示），第一類鈣鈦礦太陽能電池為平面結(jié)構(gòu)，其基本結(jié)構(gòu)為光陽極、電子傳輸材料層、鈣鈦礦層、空穴傳輸層以及背電極；第二類鈣鈦礦太陽能電池為介孔結(jié)構(gòu)，相比較平面結(jié)構(gòu)的電池，其在電子傳輸材料層和鈣鈦礦層中多了一層介孔材料，這種結(jié)構(gòu)延續(xù)了染料敏化太陽能電池的特點

圖 1-2 平面結(jié)構(gòu)和介孔結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1-2 Schematic illustration of the planar and mesoporous perovskite film architectures insolar cells電子傳輸層不僅僅能有效快速的從鈣鈦礦層提取電子，還能阻擋空穴傳至光陽極。二氧化鈦是最常用的電子傳輸材料，采用二氧化鈦為電子傳輸層制備得到的電池效率高達 22.1%，但所采用的二氧化鈦為金紅石構(gòu)型，此構(gòu)型需要在高溫500℃下煅燒才能轉(zhuǎn)換得到，能耗較大并且不能用于制備柔性器件。氧化鋅具有優(yōu)越的光學(xué)特性，形貌更易控制，電子遷移率高、允許低溫制備薄膜，是較為理想的電子傳輸材料，Kelly 的實驗室通過制備以氧化鋅納米粒子為電子傳輸材料的鈣鈦礦太陽能電池，光電轉(zhuǎn)換效率達到 15.7%，并且制備的柔性器件的光電轉(zhuǎn)換效率也達到了 10%[11]。有機的電子傳輸材料的穩(wěn)定性較金屬氧化物更好，能滿足在柔性器件上使用，例如 PCBM 即為較常用的材料，當(dāng)將 PCBM 用作電子傳輸材料置于鈣鈦礦太陽能電池中時，取得了 18.7%的光電轉(zhuǎn)換效率，電池放在相對濕度為 30%的黑暗環(huán)境下時，在經(jīng)過 30 天后，電池的效率都保持不變，并且光照 200 小時后也未出現(xiàn)降解的跡象[12]。
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM914.4

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