【摘要】：從2009年開始,鈣鈦礦太陽電池效率已經(jīng)從不足4%到提高到23.3%,可以和其他高效率太陽電池相媲美。九年時(shí)間,鈣鈦礦太陽電池完成了硅基電池近半個(gè)世紀(jì)的效率提升之路。效率上升如此之快,主要?dú)w因于其材料結(jié)構(gòu)的特殊性,在鈣鈦礦ABX3晶體結(jié)構(gòu)中,BX6構(gòu)成八面體,BX6之間通過共用的頂點(diǎn)X連接在一起,構(gòu)成三維骨架,A鑲嵌在八面體間隙中使得晶體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。此種結(jié)構(gòu)決定了鈣鈦礦優(yōu)良的光電特性;鈣鈦礦材料是具有較合適的禁帶寬度并可以通過摻雜不同元素來調(diào)節(jié)其帶隙位置、高光吸收系數(shù)、良好的載流子遷移率、極低的缺陷態(tài)密度、載流子壽命長及載流子擴(kuò)散距離遠(yuǎn)等集諸多優(yōu)勢(shì)于一身的特殊材料。雖然鈣鈦礦太陽電池發(fā)展如此之快,效率如此之高,但柔性鈣鈦礦太陽電池的發(fā)展卻相對(duì)比較緩慢,歸其原因主要是電子傳輸層制備需要300～400℃退火,遠(yuǎn)超過柔性高分子材料的適用溫度極限。針對(duì)目前柔性鈣鈦礦電池電荷傳輸層的制備以及對(duì)大面積電池效率低等問題,本論文主要做了以下研究工作:Ⅰ.研究了用不同方法制備鈣鈦礦太陽電池電子傳輸層以及選擇電子束蒸發(fā)五氧化二鈮作為制備柔性鈣鈦礦太陽電池的電子傳輸層。研究結(jié)果表明,化學(xué)浴沉積方法制備的二氧化鈦均勻性好且致密,是很好的電子傳輸層材料,制備鈣鈦礦電池可以得到18.15%的轉(zhuǎn)換效率。存在的問題是化學(xué)浴沉積法得到的二氧化鈦仍需要200℃以上的高溫退火和UVO表面處理,與柔性高分子襯底不匹配。因此,僅用低溫工藝的真空沉積法是柔性電池的理想制備方法。電子束蒸發(fā)在制備金屬氧化物薄膜時(shí)有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì),我們選擇了電子束蒸發(fā)的方法,選擇不同材料來制備鈣鈦礦太陽電池電子傳輸層,最終成功制備以五氧化二鈮薄膜為柔性鈣鈦礦太陽電池電子傳輸層材料。Ⅱ.研究了利用電子束蒸發(fā)五氧化二鈮作為鈣鈦礦太陽電池電子傳輸層,優(yōu)化制備工藝和完善電池制備過程。結(jié)果表明,不同厚度的Nb2O5薄膜呈現(xiàn)不同的光學(xué)性能和電學(xué)性能,在可見光范圍內(nèi),Nb205薄膜有非常優(yōu)異的透光率和極低的光吸收,是良好的電池窗口層材料,當(dāng)厚度為60nm時(shí)性能最佳,鈣鈦礦電池呈現(xiàn)最高18.59%的光電轉(zhuǎn)換效率。使用電子束蒸發(fā)Nb205樣品時(shí)襯底不需要加熱,可以將其應(yīng)川到柔性襯底上,在面積為0.09cm2和0.25cm2時(shí),柔性鈣鈦礦電池轉(zhuǎn)換效率分別達(dá)到15.56%和14.03%。Ⅲ.研究了利用甲硫醚(DS)為添加劑來改善鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量進(jìn)一步提高柔性鈣鈦礦太陽電池效率。結(jié)果表明,添加劑DS能夠抑制鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶速度,提高薄膜結(jié)晶質(zhì)量。隨著添加劑體積的增加,電池效率明顯得到提高。究其原因,主要是因?yàn)殁}鈦礦薄膜的晶粒尺寸變大、結(jié)晶趨向變好、缺陷態(tài)密度降低和薄膜光電特性提高等。另外,當(dāng)添加劑體積過量時(shí),薄膜在限定時(shí)間內(nèi)不能完全結(jié)晶造成電池效率開始降低。經(jīng)過優(yōu)化得到,當(dāng)添加劑體積比為10%時(shí)獲得最佳效果,取得小面積柔性鈣鈦礦太陽電池]8.4%的世界紀(jì)錄。Ⅳ.研究了利用辛硫醇作為添加劑修飾銫甲瞇基鈣鈦礦(Cs0.05FA0.95PbI3)吸收層進(jìn)一步提高太陽電池效率。添加劑能有效的提高鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶質(zhì)量、增大晶粒尺寸、增加薄膜厚度、降低薄膜的缺陷態(tài)密度等。優(yōu)化不同體積比的添加劑濃度,獲得在體積比為10%時(shí),剛性鈣鈦礦太陽電池22.43%的光電轉(zhuǎn)換效率。測(cè)試電池正反掃結(jié)果無明顯的差異,為了測(cè)試電池的穩(wěn)定性,我們將沒有經(jīng)過任何封裝的電池置于環(huán)境濕度30%的空氣中90天,測(cè)試其轉(zhuǎn)換效率仍能維持在原來效率的90%以上。
【圖文】：

．．圖１．１太陽光輻射到地面的不同波譜圖逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｔｈｅ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｓｐｅｃｔｒｕｍ邋ｏｆ邋ｓｏｌａｒ邋ｃｅｌｌ邋ｒａｄｉａｔｉｏｎ邋ｏｎ邋ｔｈｅ邋ｇｒｏｕｎｄ．逡逑清潔能源…太陽能電池逡逑，，

硅太陽電池；第二類是多晶體系的太陽電池，主要包括硫化鎘、碲化鎘、砷化鎵和逡逑銅銦鎵硒太陽電池；第三類是新型太陽電池，主要包括染料敏化太陽電池、量子點(diǎn)逡逑太陽電池、聚合物太陽電池和鈣鈦礦太陽電池［２５＿２９］。各種電池簡(jiǎn)單分類如圖１．３所逡逑示。每一種電池的制備成本決定了其應(yīng)用的方向，娃電池是最常見的太陽電池，其逡逑成本相對(duì)較低，應(yīng)用范圍也廣。砷化鎵太陽電池雖然轉(zhuǎn)化效率最高但是成本卻非常逡逑昂貴，所以限制了它的應(yīng)用，目前只有在航天航空領(lǐng)域可以用到。逡逑—Ｘ逡逑、、、、邋一邐一逡逑圖１．３太陽電池分類逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋Ｔｈｅ邋ｃａｔｅｇｏｒｙ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｓｏｌａｒ邋ｃｅｌｌｓ逡逑根據(jù)太陽電池的分類，現(xiàn)階段電池的效率差別及發(fā)展優(yōu)勢(shì)各不相同，如表ｕ逡逑所示，其中現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的主要是以硅基電池為主，但是亟待解決的問題逡逑依然存在，現(xiàn)階段太陽電池仍然面臨著高投資，回報(bào)周期長且存在風(fēng)險(xiǎn)等問題。而逡逑效率和長期穩(wěn)定性是解決電池產(chǎn)業(yè)化最主要的參考元素，如何發(fā)展低成本、高效率逡逑且穩(wěn)定性好的太陽電池才是解決產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)困難關(guān)鍵所在。當(dāng)然
【學(xué)位授予單位】：陜西師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TB383.2;TM914.4

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本文編號(hào)：2701004