【摘要】：鈣鈦礦太陽能電池作為近幾年能源界冉冉升起的一顆新星,吸引了許許多多科研工作者為之奮斗。2009年日本科學(xué)家首次將鈣鈦礦材料用在染料敏化太陽電池中,電池效率達(dá)到3.8%,2013年被《Science》雜志評為世界十大科技突破。2018年1月瑞士EPFL獲得了23.25%的效率,這是目前為止獲得認(rèn)證的最高效率。雖然鈣鈦礦太陽能電池的效率被一再地刷新,但其穩(wěn)定性較差這一特性一直被人們所詬病。目前大部分高效率鈣鈦礦太陽能電池的制備過程需在隔絕水分和氧氣的特殊環(huán)境下進(jìn)行,因此要想實(shí)現(xiàn)其廣泛生產(chǎn)應(yīng)用還有很長的路要走。本文旨在從改良制備方法、引入微量添加劑等方面,在不影響鈣鈦礦太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的同時,提高其空氣中的穩(wěn)定性,以期早日實(shí)現(xiàn)工業(yè)及民生的大規(guī)模應(yīng)用。主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下:1、采用正丁胺作為添加劑從而形成連續(xù)的PbI_2薄膜,然后采用低親水性的正丁醇和區(qū)別于手套箱中一步反溶劑法的新穎的短時多次循環(huán)浸液法來成功地將PbI_2薄膜轉(zhuǎn)換成高質(zhì)量、表面光滑、晶粒較大的鈣鈦礦薄膜。最佳性能的PSCs平均光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)17.56%,且擁有良好的重復(fù)性。2、通過引入CH_3NH_3Br(MABr)來提高開路電壓,從而獲得更高的光電轉(zhuǎn)換效率和更長時間內(nèi)的穩(wěn)定性。另外,MABr還可以提高鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量,大大減少小尺寸晶粒的個數(shù),使連接電子傳輸層和空穴傳輸層的是一整顆晶粒,這就提高了電子傳輸速率,抑制了電荷重組,減少了遲滯效應(yīng)。此外,均勻致密且擁有大晶粒的薄膜可有效的抵御水分的侵蝕,這有效地提高了器件在高濕度環(huán)境下的穩(wěn)定性。這項(xiàng)工作強(qiáng)調(diào)了引入MABr后使PSCs更高效更穩(wěn)定。3、為了實(shí)現(xiàn)在不特別控制濕度的空氣氣氛中制備甲脒基鈣鈦礦太陽能電池,我們在前驅(qū)液中摻雜聚合物大分子(PVB、PVA)來增加其抗?jié)裥浴Ｍㄟ^對比摻雜聚合物和未摻雜聚合物的鈣鈦礦太陽能電池發(fā)現(xiàn),摻雜一定量的PVB有助于提高電池器件在高濕度下的穩(wěn)定性。經(jīng)過對最優(yōu)摻雜量的探索,得出結(jié)論:當(dāng)PVB濃度為5 mg·mL~(-1)時可獲得最高19.10%的光電轉(zhuǎn)換效率,且穩(wěn)定性更強(qiáng)。
【學(xué)位授予單位】：華僑大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM914.4
【圖文】：

硫化鎘、碲化鎘[11]及銅銦鎵硒[12]薄膜太陽能電池為主。砷化鎵具有十分理想的光學(xué)帶隙、較高的吸收效率、較強(qiáng)的抗輻照能力、對熱不敏感，這些特性導(dǎo)致砷化鎵化合物薄膜太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)28%，但GaAs材料的價格不菲，因而大大限制了 GaAs 電池的普及程度。硫化鎘（CdS）、碲化鎘（CdTe）等多晶薄膜太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率與非晶硅薄膜太陽能電池相比較高，成本較單晶硅太陽能電池低，并且也易于大規(guī)模生產(chǎn)。但由于鎘元素的環(huán)境不友好型，使得其并不是晶體硅太陽能電池最理想的替代產(chǎn)品。銅銦鎵硒（CIGS）薄膜太陽能電池具有抗輻射能力強(qiáng)、光電轉(zhuǎn)化效率高、工作性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，是最有發(fā)展前景的太陽能電池之一[13]。但由于 In 和 Se 都是比較稀有的元素，因此材料的來源是制約這類電池發(fā)展的重要因素。1.2.3 新型太陽能電池近幾年來太陽能電池的需求量很大，并有逐年上升的趨勢。這促使包括染料敏化太陽能電池、量子點(diǎn)太陽能電池、有機(jī)聚合物太陽能電池和鈣鈦礦太陽能電池等在內(nèi)的新型太陽能電池逐漸進(jìn)入人們的視野。

圖 1.2 鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)陽能電池按結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類大致可分為三種，正式介式平面結(jié)構(gòu)。電池結(jié)構(gòu)如圖 1.3 所示。正式（nip 型，空穴傳輸層在上，反式（pin 型）結(jié)構(gòu)與其相反，i 代表鈣鈦礦吸光層，p 代表 p 型半導(dǎo)體材料。正構(gòu)成是 FTO 透明玻璃電極/電子傳輸層/介孔層/鈣極。常用的電子傳輸層材料有 TiO2、SnO2、ZnO納米晶，可作為空穴傳輸層材料的有 spiro-OMeT鈦礦太陽能電池類似于染料敏化太陽能電池，是其電子傳輸層材料需要具備的特點(diǎn)是高電子遷移率、于接收由鈣鈦礦層傳輸?shù)碾娮印＝榭讓幼鳛橹慰?

圖 1.3 三種典型的鈣鈦礦太陽能電池結(jié)構(gòu)類型 (a)正式介孔結(jié)構(gòu)，(b)正式平面結(jié)構(gòu)(c)反式平面結(jié)構(gòu)1.3.3 鈣鈦礦太陽能電池的工作原理及性能參數(shù)簡單來說，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，鈣鈦礦太陽能電池可以分為 3 層：電子傳輸層、空穴傳輸層和鈣鈦礦層。其中，中間的鈣鈦礦層是吸光層（介孔型結(jié)構(gòu)即多孔的 TiO2上面附著著鈣鈦礦晶體）。電子傳輸層作為電池的負(fù)極與透明導(dǎo)電玻璃相連，其作用是將吸光層分離出來的電子傳輸出去。而空穴傳輸層則將空穴傳輸?shù)浇饘匐姌O上。當(dāng)有光線照射到吸光層上時，它會吸收光能量使核外電子擺脫原子核的束縛定向移動到電子傳輸層，在兩個電極之間形成電勢差，從而在外接電路的作用下形成電流。J-V 曲線是評價太陽能電池優(yōu)劣最直觀的表征手段，主要由以下參數(shù)來衡量：短路電流密度（Jsc）、開路電壓（Voc）、填充因子（FF）和能量轉(zhuǎn)換效率（PCE）。如圖所示：

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 姚鑫;丁艷麗;張曉丹;趙穎;;鈣鈦礦太陽電池綜述[J];物理學(xué)報;2015年03期

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 梅迪;單靶磁控濺射一步法制備CIGS薄膜[D];電子科技大學(xué);2011年

本文編號：2775199