【摘要】：鈣鈦礦太陽(yáng)能電池是從染料敏化太陽(yáng)能電池衍生而來(lái)的。由于其較高的光吸收系數(shù),優(yōu)良的載流子傳輸性能,以及制備工藝簡(jiǎn)單,器件開(kāi)路電壓高等優(yōu)點(diǎn)引起了科研工作者的廣泛關(guān)注。自2009年第一塊有機(jī)無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦太陽(yáng)能電池問(wèn)世以來(lái),其效率取得了飛速發(fā)展。短短幾年時(shí)間,鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的最高光電轉(zhuǎn)換效率從最初的3.8%攀升至目前23.25%。但是鈣鈦礦太陽(yáng)能電池也存在著一些不足,其中電池性能的不穩(wěn)定性是目前制約鈣鈦礦太陽(yáng)能電池發(fā)展的最關(guān)鍵問(wèn)題。影響鈣鈦礦太陽(yáng)能電池性能穩(wěn)定的因素主要是吸收層材料本身的化學(xué)及熱穩(wěn)定性,有機(jī)鹵化物鈣鈦礦結(jié)構(gòu)在溫度和濕度較高的環(huán)境下,其晶格易被破壞而導(dǎo)致材料的分解。此外,有機(jī)無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦材料在光照、加熱條件下會(huì)與一些不穩(wěn)定的有機(jī)界面?zhèn)鬏敳牧习l(fā)生反應(yīng),致使電池的性能快速衰減。因此,要解決鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性問(wèn)題需要從改進(jìn)鈣鈦礦吸收層和傳輸層兩個(gè)方面著手。近年來(lái),無(wú)機(jī)CsPbI_3鈣鈦礦吸收層材料由于其良好的化學(xué)穩(wěn)定性引起了人們的廣泛研究。雖然與有機(jī)無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦材料CH_3NH_3PbX_3(X=Cl,Br,I)相比,CsPbI_3鈣鈦礦電池的穩(wěn)定性有了一定提升,但是文獻(xiàn)報(bào)道同時(shí)指出,立方晶相CsPbI_3在310℃以下容易轉(zhuǎn)變成斜方晶相,而立方晶相才是有效的鈣鈦礦晶相。Br和I在元素周期表的同一主族,立方晶相的CsPbBr_3可以在常溫常壓下穩(wěn)定存在,因此在吸收層改進(jìn)方面,我們選用CsPbBr_3代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有機(jī)無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦材料作為電池的吸收層,期望以此提高電池的穩(wěn)定性。在傳輸層改進(jìn)方面,傳統(tǒng)使用的有機(jī)空穴傳輸材料對(duì)紫外線敏感,合成復(fù)雜,并且價(jià)格非常昂貴。因此,尋找成本低廉,熱穩(wěn)定性好的新型無(wú)機(jī)空穴傳輸材料是鈣鈦礦電池研究中的另一個(gè)重要問(wèn)題。四元無(wú)機(jī)半導(dǎo)體化合物Cu_2ZnSnS_4(CZTS)具有空穴遷移率高,組成元素?zé)o毒且儲(chǔ)量豐富,化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。因此,我們嘗試用CZTS代替?zhèn)鹘y(tǒng)的空穴傳輸材料Spiro-OMeTAD來(lái)組裝鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。本論文采用CsPbBr_3和CZTS分別作為吸收層和空穴傳輸層來(lái)制備全無(wú)機(jī)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池,并對(duì)電池的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。進(jìn)一步通過(guò)在吸收層中摻雜元素I和Sn來(lái)優(yōu)化CsPbBr_3的帶隙,提高CsPbBr_3鈣鈦礦光伏器件的光吸收效率,從而實(shí)現(xiàn)在改善電池穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。具體工作分為以下三個(gè)部分:(1)基于CsPbBr_3吸收層的全無(wú)機(jī)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的制備及其性能研究:CsPbBr_3是一種直接帶隙半導(dǎo)體材料,禁帶寬度2.3 eV,具有與傳統(tǒng)鈣鈦礦相同的立方晶相,并且可以在常溫常壓下穩(wěn)定存在。我們用兩步法制備CsPbBr_3吸收層薄膜,通過(guò)對(duì)PbBr_2旋涂速度、時(shí)間和預(yù)燒溫度的控制以及在CsBr中浸泡時(shí)間、溫度的探索最終獲得了平整致密的CsPbBr_3鈣鈦礦薄膜。按正型結(jié)構(gòu)FTO/c-TiO_2/m-TiO_2/CsPbBr_3/Spiro-OMeTAD/Ag組裝電池,取得了5.16%的光電轉(zhuǎn)換效率,電池的穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的有機(jī)無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。在此基礎(chǔ)上,我們用銅鋅錫硫量子點(diǎn)(CZTS QDs)作為空穴傳輸材料取代Spiro-OMeTAD,組裝全無(wú)機(jī)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池,最終獲得了4.84%的器件效率,并且電池的穩(wěn)定性進(jìn)一步提升。利用熒光光譜和電化學(xué)阻抗譜對(duì)載流子在傳輸界面處的提取、輸運(yùn)性能進(jìn)行了詳細(xì)分析。(2)I摻雜對(duì)CsPbBr_3帶隙調(diào)控的研究:CsPbBr_3鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率不高的主要原因是CsPbBr_3材料本身帶隙較寬,造成光伏器件的吸光范圍窄,電池的電流密度小。引入I部分取代CsPbBr_3中的Br可以減小材料的帶隙,提高器件的光利用效率。在這部分工作中,我們制備了不同摻I量的CsPb(Br_(1-X)I_X)_3鈣鈦礦薄膜,對(duì)制得的薄膜進(jìn)行紫外可見(jiàn)吸收光譜表征,發(fā)現(xiàn)隨著摻I量的增加薄膜的吸光范圍逐漸變寬,摻I量薄膜的光學(xué)帶隙在2.3 eV-1.7 eV之間連續(xù)可調(diào)。但摻I量過(guò)大時(shí)薄膜的穩(wěn)定性會(huì)降低。摻I量X=2/3時(shí),電池依然可以保持較好的穩(wěn)定性,取得了8.29%的光電轉(zhuǎn)換效率,此時(shí)吸收層薄膜的帶隙為1.9 eV。通過(guò)電池外部量子效率測(cè)試分析了器件性能隨摻I量變化的原因。(3)Sn摻雜對(duì)CsPbBr_3帶隙調(diào)控的研究:太陽(yáng)能電池吸收層材料的最佳光學(xué)帶隙在1.5 eV,通過(guò)I摻雜可以將CsPbBr_3的帶隙調(diào)節(jié)到1.7 eV。為了更充分的利用太陽(yáng)光,需要對(duì)調(diào)控CsPbBr_3吸收層薄膜帶隙的方法做進(jìn)一步的研究。理論研究表明,Sn~(2+)的引入可以有效降低CsPbBr_3的帶隙。在這一章,我們嘗試?yán)肧n部分取代Pb來(lái)調(diào)節(jié)吸收層CsPbBr_3的帶隙。首先制備了不同摻Sn量的無(wú)機(jī)鈣鈦礦薄膜CsPb_((1-X))Sn_XBr,并對(duì)不同摻Sn量的薄膜進(jìn)行了XRD和紫外可見(jiàn)吸收光譜表征,發(fā)現(xiàn)隨著摻Sn量的增加薄膜的吸光范圍并沒(méi)有發(fā)生明顯的變化。XPS分析結(jié)果表明,在制得的薄膜中,Sn~(2+)被氧化成Sn~(4+),而Sn~(4+)的引入反而會(huì)增大CsPbBr_3薄膜的帶隙。因此尋找還原性的溶劑來(lái)制備Sn~(2+)摻雜的CsPbBr_3吸收層薄膜是今后研究的方向。
【圖文】：

圖 1-1 鈣鈦礦的晶胞結(jié)構(gòu)示意圖[18]固體氨基鹵化鉛(CH3NH3PbX3)是最常用的傳統(tǒng)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的吸收層材料。它的優(yōu)點(diǎn)是：表面缺陷少、直接帶隙半導(dǎo)體材料、吸光系數(shù)高(高達(dá) 105，，光吸收能力約為有機(jī)染料的 10 倍)、合適的禁帶寬度(1.5 eV 左右，吸光范圍寬，可充分吸收可見(jiàn)光)、優(yōu)良的雙極性傳輸性質(zhì)(在異質(zhì)結(jié)處既可能表現(xiàn)出 n 型也可能表現(xiàn)出 P 型，可同時(shí)作為吸收層和傳輸層)[22-26]、電子結(jié)合能低(35-50 meV，室溫下就能分解為自由載流子)、載流子擴(kuò)散距離大(摻 Cl 后可達(dá)到 1 um 左右)。它的缺點(diǎn)是：不穩(wěn)定，有機(jī)鹵化物遇極性溶劑易分解為 PbI2和 CH3NH3I，這也是造成目前鈣鈦礦太陽(yáng)能電池不穩(wěn)定的最重要的原因[27-29]。1.2.2 鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的工作原理鈣鈦礦電池是從染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSC)發(fā)展而來(lái)的一種新型太陽(yáng)能電池，最初

圖 1-2 鈣鈦礦太陽(yáng)能能電池常見(jiàn)的的四種結(jié)構(gòu)[30]光照到吸收層，吸收層吸收光子后激發(fā)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)；隨后電子-空穴對(duì)發(fā)生解離，生成自由電子和自由空穴；最后電子進(jìn)入電子傳輸層，空穴進(jìn)入空穴傳輸層，并分別沿著電子傳輸層和空穴傳輸層到達(dá)電池相應(yīng)的電極并被相應(yīng)的電極所收集，經(jīng)過(guò)外電路形成完整的循環(huán)�？傮w可分為三個(gè)過(guò)程：（1）鈣鈦礦吸收層在太陽(yáng)光的照射下產(chǎn)生電子-空穴對(duì)；（2）電子和空穴發(fā)生解離；（3）電子和空穴的傳輸及收集[30，31]。如下圖是電池的工作原理圖
【學(xué)位授予單位】：河南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM914.4

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 葉云霞;趙抒怡;熊松;高昌達(dá);;剩余吸收層對(duì)激光沖擊效果影響的實(shí)驗(yàn)研究[J];紅外與激光工程;2015年12期

2 竇廣棟;黃永清;段曉峰;;一種新型雙吸收層光探測(cè)器的設(shè)計(jì)和分析[J];半導(dǎo)體光電;2015年01期

3 ;專利信息[J];太陽(yáng)能;1988年04期

4 郝宇;孫曉紅;張旭;王高亮;;基于一維光柵吸收層的太陽(yáng)能電池[J];光電子技術(shù);2013年03期

5 ;透明軟片[J];橡膠參考資料;1995年10期

6 謝三先;黃永清;劉慶;段小峰;王偉;黃輝;任曉敏;;新型雙吸收層光探測(cè)器量子效率的理論分析[J];激光與光電子學(xué)進(jìn)展;2011年05期

7 楊建明,吳小清,姚熹;熱釋電紅外探測(cè)器吸收層研究[J];紅外技術(shù);2002年04期

8 尚爾昌;漸變吸收層反射率的近似式[J];聲學(xué)學(xué)報(bào);1965年04期

9 李明標(biāo);史力斌;;不同吸收層結(jié)構(gòu)的非晶硅/鍺太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的模擬計(jì)算(英文)[J];硅酸鹽學(xué)報(bào);2012年07期

10 錢(qián)祥忠;液晶光閥的光吸收層吸收系數(shù)的研究[J];半導(dǎo)體光電;2001年03期

相關(guān)會(huì)議論文 前9條

1 李桐;張林睿;汪浩;嚴(yán)輝;;銅鋅錫硫薄膜電池吸收層的銀摻雜研究[A];TFC’17全國(guó)薄膜技術(shù)學(xué)術(shù)研討會(huì)論文摘要集[C];2017年

2 滕麗芳;朱琳;王玲玲;張昕彤;;高溫硒化處理對(duì)CZTSSe薄膜太陽(yáng)能電池吸收層的調(diào)控研究[A];第五屆新型太陽(yáng)能電池學(xué)術(shù)研討會(huì)摘要集（銅基薄膜太陽(yáng)能電池篇）[C];2018年

3 盧小雙;徐斌;孫琳;;一種生長(zhǎng)Cu_2ZnSnS_4大晶粒的硫化方法[A];第五屆新型太陽(yáng)能電池學(xué)術(shù)研討會(huì)摘要集（銅基薄膜太陽(yáng)能電池篇）[C];2018年

4 呂笑公;付強(qiáng);王俊珍;郝慧敏;鞠月玲;朱成軍;;液相法制備CZTGSSe薄膜與性能[A];第五屆新型太陽(yáng)能電池學(xué)術(shù)研討會(huì)摘要集（銅基薄膜太陽(yáng)能電池篇）[C];2018年

5 祁康成;;光尋址液晶光閥的吸收層[A];中國(guó)真空學(xué)會(huì)五屆三次理事會(huì)暨學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2002年

6 何雄偉;朱文琪;劉云全;;STRATA技術(shù)在武黃高速公路維修工程中的應(yīng)用[A];第一屆全國(guó)公路科技創(chuàng)新高層論壇論文集新技術(shù)新材料與新設(shè)備卷[C];2002年

7 孫志強(qiáng);劉靜;汪洪;左巖;;鉻系光譜選擇性吸收涂層的設(shè)計(jì)、制備及性能表征[A];2017年全國(guó)玻璃科學(xué)技術(shù)年會(huì)論文集[C];2017年

8 雷巖;賈會(huì)敏;鄭直;;硫族化合物半導(dǎo)體薄膜的合成及其在本體異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用[A];第十三屆全國(guó)太陽(yáng)能光化學(xué)與光催化學(xué)術(shù)會(huì)議學(xué)術(shù)論文集[C];2012年

9 馬瑞新;李士娜;王碩;楊帆;;室溫固相合成Cu_2ZnSnS_4納米粉體及其性能研究[A];第五屆新型太陽(yáng)能電池學(xué)術(shù)研討會(huì)摘要集（銅基薄膜太陽(yáng)能電池篇）[C];2018年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前3條

1 李欣益;對(duì)濺射法制備的銅銦鎵硒吸收層與摻鋁氧化鋅窗口層結(jié)構(gòu)與性能的研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2012年

2 葛杰;銅鋅錫硫薄膜太陽(yáng)電池相關(guān)材料與器件的研究[D];華東師范大學(xué);2013年

3 曾巧玉;InGaAs/InP單光子雪崩光電二級(jí)管的制備及研究[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院（上海技術(shù)物理研究所）;2014年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 張盼盼;全無(wú)機(jī)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池及吸收層帶隙調(diào)控[D];河南大學(xué);2018年

2 楊超;吸收層結(jié)構(gòu)對(duì)中高溫光熱薄膜吸收特性及抗氧化能力的影響[D];西安理工大學(xué);2018年

3 竇廣棟;用于光纖通信系統(tǒng)的新型雙吸收層光探測(cè)器的研究[D];北京郵電大學(xué);2015年

4 丁遠(yuǎn)奎;銅基光吸收層薄膜的綠色溶液法制備及其光伏器件研究[D];合肥工業(yè)大學(xué);2014年

5 王朝政;銅基薄膜太陽(yáng)電池吸收層制備及性能研究[D];內(nèi)蒙古大學(xué);2013年

6 游亮;微納CZTS吸收層材料的制備及其光電性能研究[D];中南大學(xué);2013年

7 索妮;Mo-AIN太陽(yáng)光譜選擇性吸收涂層的優(yōu)化設(shè)計(jì)[D];遼寧師范大學(xué);2015年

8 張沖;氟化鉀摻雜對(duì)銅銦鎵硒吸收層薄膜及器件的影響研究[D];河北大學(xué);2016年

9 劉紀(jì)灣;CuInS_2吸收層薄膜的制備及薄膜太陽(yáng)能電池的電學(xué)性質(zhì)表征[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2015年

10 林斯佳;基于碳納米管吸收層的熱釋電傳感器設(shè)計(jì)[D];中北大學(xué);2014年

本文編號(hào)：2634511