基于界面工程和溶液制備法的高性能鈣鈦礦太陽(yáng)能電池

發(fā)布時(shí)間：2020-09-03 15:02

　　 21世紀(jì)以來(lái),隨著不可再生能源的大量消耗,能源危機(jī)日趨明顯。因此,充分開(kāi)發(fā)、利用可再生能源成為解決能源危機(jī)的主要途徑之一。在眾多可再生能源之中以太陽(yáng)能最為突出。太陽(yáng)能永不枯竭,可以源源不斷地為人類(lèi)提供能量。開(kāi)發(fā)先進(jìn)光伏技術(shù)并制備高效太陽(yáng)能電池,將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)化為電能,對(duì)于解決能源枯竭和緩解環(huán)境惡化具有非常重大的意義。雖然硅太陽(yáng)能電池已經(jīng)完全投入使用并且取得了超過(guò)20%的光電轉(zhuǎn)換效率,但其大規(guī)模應(yīng)用受到成本高、污染重以及不可持續(xù)性發(fā)展等制約。進(jìn)一步開(kāi)發(fā)高效穩(wěn)定的太陽(yáng)能電池尤為重要。近年來(lái),鈣鈦礦太陽(yáng)能電池應(yīng)運(yùn)而生,其光電轉(zhuǎn)換效率在短短幾年內(nèi)已超過(guò)了22%。但是,鈣鈦礦太陽(yáng)能電池目前仍然存在一些問(wèn)題,如成本高、穩(wěn)定性差以及制備工藝復(fù)雜等。為了解決這些問(wèn)題,我們從界面工程的角度出發(fā),對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的器件結(jié)構(gòu)及工作機(jī)制進(jìn)行了相關(guān)研究。首先,本文研究了倒置結(jié)構(gòu)MAPb I3-XClX體系鈣鈦礦太陽(yáng)能電池及其工作機(jī)制。在倒置結(jié)構(gòu)MAPb I3-XClX體系鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中最常使用的空穴傳輸層是PEDOT:PSS。雖然基于PEDOT:PSS的倒置器件取得了超過(guò)15%的光電轉(zhuǎn)換效率,但是因PEDOT:PSS的酸性、強(qiáng)氧化性、易潮解等性質(zhì)限制了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率的提高。為了提高其器件性能,作者采用了兩種方法對(duì)倒置結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的空穴傳輸層進(jìn)行修飾和改進(jìn)。(1)作者結(jié)合PEDOT:PSS和水溶性酞菁銅材料Copper phthalocyanine-3,4′,4′′,4′′′-tetrasulfonated acid tetra sodium salt(TS-Cu Pc)的優(yōu)點(diǎn),用不同比例的TS-Cu Pc對(duì)PEDOT:PSS進(jìn)行摻雜。通過(guò)調(diào)整TS-Cu Pc的摻雜比例,得到優(yōu)質(zhì)的新型復(fù)合空穴傳輸層。通過(guò)原子力顯微鏡(AFM)和掃描電子顯微鏡(SEM)等測(cè)試手段研究了空穴傳輸層薄膜及相應(yīng)的鈣鈦礦薄膜的形貌。利用電化學(xué)阻抗譜(EIS)、穩(wěn)態(tài)光致發(fā)光(PL)及紫外可見(jiàn)光吸收(UV/vis)研究了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中的電荷抽取和傳輸性能。針對(duì)電池的壽命,作者從空穴傳輸層薄膜及相應(yīng)鈣鈦礦薄膜的接觸角及溶液p H值的角度進(jìn)行了詳細(xì)研究。最終,基于TS-Cu Pc摻雜PEDOT:PSS空穴傳輸層的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了17.29%,器件也具有更好的穩(wěn)定性。(2)雖然基于TS-Cu Pc摻雜PEDOT:PSS空穴傳輸層的器件效率得到了提高,但是因PEDOT:PSS的存在,混合溶液對(duì)ITO電極仍然具有腐蝕性,從而影響器件的穩(wěn)定性。為了避免這一現(xiàn)象的發(fā)生,尋找一種新型的空穴傳輸材料替代PEDOT:PSS勢(shì)在必行。作者進(jìn)一步分別使用有機(jī)小分子材料F4-TCNQ和金屬氧化物Mo O3摻雜TS-Cu Pc替代PEDOT:PSS作為空穴傳輸層。研究發(fā)現(xiàn),基于F4-TCNQ摻雜TS-Cu Pc作空穴傳輸層的器件效率達(dá)到了16.14%。但是,基于Mo O3摻雜TS-Cu Pc作為空穴傳輸層的器件其性能并沒(méi)有明顯改善。作者將兩者在空穴遷移率、外量子效率(EQE)、X射線(xiàn)衍射(XRD)以及接觸角等方面進(jìn)行分析對(duì)比,發(fā)現(xiàn):相對(duì)于Mo O3摻雜TS-Cu Pc空穴傳輸層,經(jīng)F4-TCNQ摻雜的混合空穴傳輸層薄膜的空穴遷移率、器件的外量子效率及薄膜結(jié)晶性等方面都得到了有效提高,導(dǎo)致器件總體性能提高,壽命也得到了延長(zhǎng)�？傊�,作者發(fā)展的F4-TCNQ摻雜TS-Cu Pc空穴傳輸材料成本較低,制作工藝簡(jiǎn)單,器件性能突出,為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的空穴傳輸層提供了新的選擇。其次,本文對(duì)正置結(jié)構(gòu)MAPb I3體系的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池進(jìn)行研究。正置結(jié)構(gòu)MAPb I3體系的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中常用的空穴傳輸層是Spiro-OMe TAD。但是因Spiro-OMe TAD容易被氧化,導(dǎo)致器件的穩(wěn)定性及可重復(fù)性大大降低。將上述F4-TCNQ:TS-Cu Pc材料作為正置結(jié)構(gòu)的空穴修飾層,阻擋氧氣進(jìn)入空穴傳輸層,可以避免Spiro-OMe TAD層的快速氧化。通過(guò)透射電子顯微鏡(TEM)、萊卡顯微鏡、外量子效率(EQE)、穩(wěn)態(tài)光電流及壽命等測(cè)試表征,詳細(xì)研究了F4-TCNQ:TS-Cu Pc修飾層的功能。通過(guò)器件優(yōu)化,光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了20.16%。
【學(xué)位單位】：蘇州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：TM914.4
【部分圖文】：