發(fā)布時間：2020-10-23 21:03

　　 有機-無機鹵化鉛鈣鈦礦是一種優(yōu)異的吸光材料,應(yīng)用于太陽能電池中可實現(xiàn)極高的光電轉(zhuǎn)換效率,因此不斷發(fā)展日益趨于實際應(yīng)用。SnO_2因具有高電導(dǎo)率、制備溫度低、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定成為最具有前景的電子傳輸材料。本文以SnO_2致密層為電子傳輸材料,制備了以甲銨碘化鉛(MAPbI_3)為吸光層的平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽能電池,探究了低溫制備SnO_2電子傳輸層的影響因素、研究了摻雜不同元素對SnO_2電子傳輸性能的影響以及MAPbI_3吸光層的優(yōu)化方案。論文主要內(nèi)容如下:探究了溶膠-凝膠旋涂前驅(qū)液處理溫度、陳化時間和水添加量對制備SnO_2電子傳輸性能及電池效率的影響。實驗發(fā)現(xiàn)合適的前驅(qū)液處理溫度對促進SnO_2生成有利,最終使SnO_2電子傳輸效率提高;適當?shù)年惢瘯r間促進SnO_2結(jié)晶,結(jié)晶性好的SnO_2電子傳輸效率高,因此溶膠-凝膠適當陳化后制備SnO_2得到的電池效率更高;溶膠-凝膠旋涂前驅(qū)液加入適量的水有利于SnCl_2水解促進SnO_2的生成,最終提高電池效率。通過對比不同條件制備的SnO_2基平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽能電池效率,確定80℃熱處理,同時滴加150μL水配制溶膠凝膠旋涂前驅(qū)液后陳化24 h來制備SnO_2電子傳輸層。通過摻雜SnO_2優(yōu)化電子傳輸層,提高鈣鈦礦太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率,對比不同元素摻雜后電池性能,分析得出最佳摻雜元素及比例。在摻雜離子半徑相近的Li~+、Mg~(2+)、Ga~(3+)、Ti~(4+)后,SnO_2傳輸電子能力提高,摻雜Li~+、Mg~(2+)、Ga~(3+)后所制備的電池J_(sc)明顯提高,SnO_2摻雜Ga~(3+)、Ti~(4+)所制備的電池提高了開路電壓;SnO_2摻雜價態(tài)相同,半徑不同的Al~(3+)、Ga~(3+)、In~(3+)制備電池后發(fā)現(xiàn),J_(sc)隨摻雜離子半徑的增加而增加,SnO_2摻雜與Sn~(4+)半徑相同的離子可有效提高電池及填充因子(FF),并提高SnO_2基平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽能電池的性能。。采用反溶劑一步法制備MAPbI_3,探究了MAPbI_3前驅(qū)液濃度、熱處理時間與反溶劑選擇對電池性能的影響。實驗發(fā)現(xiàn)前驅(qū)液濃度決定吸光層MAPbI_3薄膜厚度,MAPbI_3前驅(qū)液濃度最優(yōu)為1.2 M,所制備的電池獲得的光電轉(zhuǎn)換效率為12.66%;適當?shù)臒崽幚頃r間有利于MAPbI_3生成與結(jié)晶,最優(yōu)熱處理時間為5 min,并獲得13.15%電池效率;反溶劑選擇對MAPbI_3薄膜宏觀及微觀形貌有重要影響,MAPbI_3薄膜的形貌影響電池性能,以氯苯作為反溶劑可以制備出宏觀透亮、微觀晶粒排列緊密的MAPbI_3薄膜,因此為最優(yōu)反溶劑
【學(xué)位單位】：深圳大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TM914.4
【部分圖文】：

芽筇?裟艿緋囟?躉??繾喲?洳闃票贛氳緋匭閱苧芯?3圖1-1 美國國家可再生能源實驗室(NREL)認證的各類太陽能電池轉(zhuǎn)換效率數(shù)據(jù)[10]Figure 1-1 Identified power conversion efficiencies (PCEs) of different solar cells from NREL.按照太陽能電池的發(fā)展進程，大體上可以將其分為三代。第一代太陽能電池，即硅基太陽能電池，包括單晶硅、多晶硅和非晶硅太陽能電池。第二代太陽能電池，即化合物薄膜太陽能電池，包括銅銦鎵硒（CIGS）、砷化鎵等。第三代太陽能電池，即各種新型薄膜類太陽能電池，包括敏化類太陽能電池（染料、量子點）、有機化合物類太陽能電池、有機-無機雜化類太陽能電池等。1.3 鈣鈦礦太陽能電池概述1.3.1 鈣鈦礦材料性質(zhì)經(jīng)過二十年的研究發(fā)現(xiàn)，甲銨碘化鉛（CH3NH3PbI3或簡稱 MAPbI3）具有引人關(guān)注的光學(xué)和電學(xué)方面的性質(zhì)[11]，它是一種帶隙為 1.55 eV 的直接帶隙半導(dǎo)體吸光材料

6。圖1-2 理想鈣鈦礦材料晶胞結(jié)構(gòu)的示意圖[15]Figure 1-2 The ideal cubic perovskite unit cell.1.3.2 鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展鈣鈦礦太陽能電池在研究染料敏化太陽能電池（dye-sensed solar cells, DSSCs）的過程中開發(fā)的一種類似器件。2009 年，Kojima 等人引入 MAPbI3和較寬帶隙 MAPbBr3作為液體電解質(zhì)基 DSSCs 中的敏化劑[16]，在標準條件下測得第一個敏化型鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率僅為 3.8 ％，并且由于鈣鈦礦在有機溶劑中快速溶解，導(dǎo)致器件穩(wěn)定性較差。因此，通過改變電解質(zhì)配方和制備鈣鈦礦的方法，Nam Gyu Park提高了器件性能和穩(wěn)定性，并且使其 PCE 效率達到 6.5 %[17]。與常用的分子 N719 釕敏化劑相比，MAPbI3是一種優(yōu)異的吸光材料，這意味著較薄的吸收層，卻可以獲得良好的光轉(zhuǎn)換性能。液態(tài)電解質(zhì)隨后被固態(tài)的空穴傳輸材料（hole transprot materials,HTM）CsSnI3-xFx或 Spiro-MeOTAD[18]代替

6(a) 介孔鈣鈦礦太陽能電池 (b) 平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽能電池圖1-3 介孔結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽能電池(a)和平面異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽能電池(b)的平面示意圖Figure 1-3 The structure of mesoscopic PSCs (a); The structure of planar heterojunction PSCs (b)1.3.4 鈣鈦礦太陽能電池的工作原理當太陽光照射到鈣鈦礦太陽能電池上并被吸收時，其中能量大于吸光材料即鈣鈦礦禁帶寬度的光子把價帶中電子激發(fā)到導(dǎo)帶上去，形成導(dǎo)帶電子；價帶中留下帶正電的空穴后形成電子-空穴對，電子和空穴通稱為光生載流子。鈣鈦礦太陽能電池中的導(dǎo)帶電子和價帶空穴擴散到 n 型半導(dǎo)體和 p 型半導(dǎo)體接觸形成 pn 結(jié)的空間電荷區(qū)即內(nèi)建電場中，根據(jù)能級關(guān)系，電子-空穴對在內(nèi)建電場中分離：導(dǎo)帶電子將會注入到一般為 n 型半導(dǎo)體的電子傳輸材料（如 TiO2、SnO2等）的導(dǎo)帶中流向電池陰極，空穴將注入到空穴傳輸材料（如 spiro-OMeTAD、PEDOT:PSS 等）的價帶中流向電池正極，從而產(chǎn)生光電壓。如果在電池兩極連接負載，在持續(xù)的太陽光照射下就會產(chǎn)生光電流不斷地流經(jīng)負載。其中理想的電子傳輸材料能帶結(jié)構(gòu)一般要求寬帶隙、導(dǎo)帶低于鈣鈦礦材料導(dǎo)帶位置以更好地讓光生電子流入，且價帶低于鈣鈦礦的價帶以阻擋空穴在電子傳輸層/鈣鈦礦層界面復(fù)合；類似的
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本文編號：2853540