自從1956年,科學(xué)家Kojima首次使用有機(jī)無(wú)機(jī)雜化電解液法制備出了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池并獲得了3.8%的光電轉(zhuǎn)換效率以來(lái),鈣鈦礦電池體系得到了行業(yè)普遍重視。目前的最高光電轉(zhuǎn)換效率已超過(guò)了22%,本質(zhì)上是源于鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件結(jié)構(gòu)、材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及薄膜質(zhì)量提升。本文實(shí)驗(yàn)的體系為倒置結(jié)構(gòu)p-i-n型有機(jī)無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦太陽(yáng)能電池,對(duì)制備工藝進(jìn)行了系統(tǒng)摸索,分別探索空穴傳輸層、鈣鈦礦光活化層、電子傳輸層的溶液配置方法、成膜關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)器件光伏性能的影響。研究結(jié)果如下:1、鈣鈦礦電池空穴傳輸層的制備工藝研究。對(duì)比了PEDOT:PSS在室溫和冷藏情況下的區(qū)別,發(fā)現(xiàn)PEDOT:PSS材料在冷藏下可以獲得更高的器件效率;研究了同時(shí)使用PEDOT:PSS和PTAA兩種材料作為空穴傳輸層的情況,發(fā)現(xiàn)增加PTAA后,鈣鈦礦前驅(qū)體溶液的比例需要調(diào)低,這是由于親水的MAI在疏水的PTAA薄膜上需要降低用量的原因;經(jīng)過(guò)調(diào)整溶液濃度獲得合適的PTAA厚度,并在薄膜中摻雜少量F_4-TCNQ提高薄膜導(dǎo)電性,最終得到了18.2%的光電轉(zhuǎn)換效率。將新合成的全新材料1,4-雙(3,6-二β萘基咔唑基)丁烷作為空穴傳輸層運(yùn)用于鈣鈦礦太陽(yáng)能電池、系統(tǒng)研究該薄膜和鈣鈦礦薄膜的制備工藝。結(jié)果表明,1,4-雙(3,6-二β萘基咔唑基)丁烷單獨(dú)作用于空穴傳輸層時(shí),器件開(kāi)路電壓、光電流和填充因子顯著降低,說(shuō)明該薄膜導(dǎo)電性和成膜性有待提高。本論文針對(duì)該材料最高占有軌道能級(jí)與MAPbI_3比較匹配,設(shè)計(jì)制備了它與PEDOT:PSS組合的雙層空穴傳輸層,效率提升明顯,獲得了15.9%的光電轉(zhuǎn)換效率。2、MAPbI_3鈣鈦礦薄膜的制備工藝研究。分別研究了前驅(qū)體溶液的配置方法,仲丁醇溶劑萃取快速結(jié)晶工藝參數(shù),以及對(duì)比了空氣環(huán)境和氮?dú)猸h(huán)境下,鈣鈦礦成膜參數(shù)(前驅(qū)體溶液比例、烘烤參數(shù))的區(qū)別,對(duì)相關(guān)機(jī)理進(jìn)行初步研究。最終,基于PEDOT:PSS得到了16.2%的光電轉(zhuǎn)換效率,相對(duì)以往使用PEDOT:PSS材料的器件獲得了很大提升。3、PCBM電子傳輸層的制備工藝研究。研究了PCBM旋轉(zhuǎn)速度和基底溫度對(duì)器件性能的影響。通過(guò)形貌表征得知,提高基底溫度有助于提高PCBM在鈣鈦礦薄膜表面的附著力,顯著提高薄膜的平整度,因此器件的漏電流減少,填充因子提高,最終獲得了比較好的效率。
【學(xué)位單位】：深圳大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TM914.4
【部分圖文】：

倒置平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池制備工藝的系統(tǒng)研究1.3.1 鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鈣鈦礦指一種 ABX3型的晶體結(jié)構(gòu)，A 指一價(jià)陽(yáng)離子如銫離子 Cs+、甲胺陽(yáng)離子CH3NH3+、甲脒陽(yáng)離子 CH(NH2)2+，B 是指二價(jià)陽(yáng)離子，如 Pb2+、Mg2+、Ca2+、Ba2+。X是鹵素陰離子如 I-、Cl-、Br-。 在理想的鈣鈦礦晶體中，晶體是正八面體結(jié)構(gòu)，具有等軸晶系結(jié)構(gòu)。A 和 X 按照立方體最緊密的堆疊方式排列，B 原子占據(jù)八面體之間的空隙。如圖 1 所示：

穩(wěn)定[17]。這幾年鈣鈦礦太陽(yáng)電池獲得快速發(fā)展，眾多科研組相繼報(bào)道了轉(zhuǎn)換0%的器件，實(shí)驗(yàn)室報(bào)道的小面積器件效率最高可達(dá) 22.1%，大面積器件最高了 21% [18]。鈣鈦礦電池工作原理與性能參數(shù)陽(yáng)能電池的基本工作條件基于半導(dǎo)體材料的光生伏特效應(yīng)。要想使電池能夠建立起 PN 結(jié)。有大量空穴的P型材料和含有大量電子的N型材料通過(guò)工藝結(jié)合在一起時(shí)就 結(jié)如圖 2 所示，由于空穴和電子的濃度差會(huì)發(fā)生載流子擴(kuò)散。N 區(qū)的電子向下空穴形成正電荷，相反的 P 區(qū)的空穴向 N 區(qū)擴(kuò)散留下電子形成負(fù)電荷。隨擴(kuò)散形成了由 N 區(qū)指向 P 區(qū)的電場(chǎng)，隨著電場(chǎng)的建立，P 區(qū)的空穴和 N 區(qū)相互運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生漂移電流，擴(kuò)散電流和漂移電流會(huì)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，這時(shí)載流子內(nèi)建電場(chǎng)的區(qū)域被稱為空間電荷區(qū)。

圖 3 鈣鈦礦電池能級(jí)流子即自由電子和空穴。如果自由電子沒(méi)能夠及時(shí)脫離空穴的束縛，導(dǎo)帶底與空穴組成激子。由于鈣鈦礦處在 PN 結(jié)的中間，PN 結(jié)產(chǎn)生的鈣鈦礦產(chǎn)生的光生載流子發(fā)生分離擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。而且鈣鈦礦的激子結(jié)合都可以解離為自由載流子。因此，鈣鈦礦材料有很高的載流子遷移率。就是說(shuō)自由電子和空穴可以在內(nèi)部復(fù)合之前大部分都能傳輸?shù)浇缑嫱?P 型材料和 N 型材料所吸收，形成光生電場(chǎng)，產(chǎn)生光電壓和光電究鈣鈦礦電池的性能中我們首先使用標(biāo)準(zhǔn)光照條件：輻照度 1Kw/m度 25℃。主要關(guān)注鈣鈦礦電池的以下幾種參數(shù)：電壓（Voltage of Open Circuit ）準(zhǔn)光照的條件下太陽(yáng)電池開(kāi)路（光生電流值為零）時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出電壓電池在理論下的最大輸出電壓。主要由 P 型材料和 N 型材料的能級(jí)帶隙寬度共同決定了鈣鈦礦電池的開(kāi)路電壓 Voc。
【參考文獻(xiàn)】

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1 孫惠成;羅艷紅;李冬梅;孟慶波;;染料敏化太陽(yáng)能電池基礎(chǔ)研究及產(chǎn)業(yè)化新進(jìn)展[J];硅酸鹽學(xué)報(bào);2011年07期

2 柳佃義;閆旭煥;唐瑜;劉偉生;譚民裕;;以冠醚為骨架的多足配體稀土配合物的合成、表征及熒光性質(zhì)研究[J];無(wú)機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào);2008年08期

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1 張林星;倒置平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池功能層的可控制備及其機(jī)理研究[D];深圳大學(xué);2017年

本文編號(hào)：2857688