【摘要】：鈣鈦礦太陽能電池以其高的光吸收系數(shù)、優(yōu)良的載流子輸運(yùn)性能以及簡單的制備工藝和低廉的成本等諸多優(yōu)點(diǎn)引起了科研工作者的廣泛重視。在其面世以來的短短幾年間,鈣鈦礦太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率(PCE)已由最初的不到5%提高到22%以上,其發(fā)展速度之迅猛在光伏研究領(lǐng)域無出其右。然而隨著鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)的不斷成熟,其自身所存在的問題也逐漸暴露出來。鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性問題是制約其進(jìn)一步發(fā)展的一大障礙。大多數(shù)研究都將鈣鈦礦電池的穩(wěn)定性差歸因于鈣鈦礦材料本身易分解,而鈣鈦礦電池作為一個整體,由多層結(jié)構(gòu)組成,任何一層材料的物理性能都將影響整體器件性能及其穩(wěn)定性。初步研究表明,器件的電荷傳輸層在影響器件電荷輸運(yùn)性能的同時,也會對器件的穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。本文以空穴傳輸層作為切入點(diǎn),制備了多種空穴傳輸材料,并系統(tǒng)地研究了它們對鈣鈦礦器件光電性能及穩(wěn)定性的影響。本文首先介紹了鈣鈦礦太陽能電池的相關(guān)基礎(chǔ)知識,綜述了該領(lǐng)域的主要研究現(xiàn)狀。針對傳統(tǒng)的空穴傳輸材料(HTM)spiro-OMeTAD,系統(tǒng)地研究了不同摻雜的spiro-OMeTAD材料對鈣鈦礦器件的光電性能和穩(wěn)定性的影響及其內(nèi)在機(jī)制。研究表明,Li/FK209共同摻雜的器件無需暴露空氣便表現(xiàn)出優(yōu)良的光電性能,從而有效避免了暴露空氣對鈣鈦礦材料的侵蝕。進(jìn)一步研究表明,添加劑Li、FK209的引入不僅可以提高spiro-OMeTAD的電導(dǎo)率,而且可以調(diào)節(jié)材料的功函數(shù),使得HTM與鈣鈦礦層之間的能級更加匹配,從而有效地促進(jìn)了器件內(nèi)部的電荷傳輸能力,使得器件性能得到顯著提高。在對常用空穴傳輸材料spiro-OMeTAD的研究基礎(chǔ)之上,提出采用銅基化合物(以Cu2S為主)作為新型空穴傳輸層。實(shí)驗(yàn)中分別采用真空蒸鍍法和溶液法制備了 Cu2S薄膜,并基于此制備了相應(yīng)的鈣鈦礦器件。實(shí)驗(yàn)得到的器件PCE最高為8.00%,其中Voc為624.93mV,Jsc為23.16mA/cm2,FF為55.25%,器件的電流密度-電壓(J-V)曲線有明顯的回滯現(xiàn)象�；趯�(shí)驗(yàn)結(jié)果,我們認(rèn)為Cu2S薄膜粗糙的表面形貌和近金屬特性,以及perovskite/Cu2S/Au之間的相互作用是造成是器件性能不佳的主要原因�？紤]到電荷傳輸層中的金屬離子等會擴(kuò)散到鈣鈦礦層中并對器件性能產(chǎn)生影響,作為銅基空穴傳輸層的拓展,研究了銅離子摻雜對鈣鈦礦薄膜及器件光電性能及穩(wěn)定性的影響。研究表明,低濃度的銅離子摻雜可以顯著降低鈣鈦礦材料(FAPbI3)的相轉(zhuǎn)變溫度,增加薄膜的吸光度,同時提高鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶性能和穩(wěn)定性能,相應(yīng)鈣鈦礦器件穩(wěn)定性也顯著提高。當(dāng)摻雜0.1 mol%的CuI時,鈣鈦礦器件表現(xiàn)最佳,連續(xù)光照測試170 h后,其PCE降幅不足2%。但當(dāng)銅離子摻雜濃度過高時,鈣鈦礦薄膜及相應(yīng)鈣鈦礦器件的各項(xiàng)性能參數(shù)均顯著降低。本文提出了從空穴傳輸層的角度研究鈣鈦礦器件整體光電性能和穩(wěn)定性的方法,并基于此進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)。希望相應(yīng)的研究方法和結(jié)論能夠?qū)罄m(xù)的實(shí)驗(yàn)研究起到一定的借鑒作用。
【學(xué)位授予單位】：中國工程物理研究院
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB34;TM914.4
【圖文】：

太陽能電池逡逑太陽能電池，顧名思義，就是將鈣鈦礦材料作為光吸收層機(jī)染料敏化電池，卻同時具備了有機(jī)太陽能電池和無機(jī)太鈣鈥礦電池的結(jié)構(gòu)逡逑出了鈣鈦礦太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)�？梢钥吹诫姵刂饕桑ǎ牛裕蹋�、鈣鈦礦吸收層、空穴傳輸層（ＨＴＬ）和對電極五理解為：１）太陽光照射到電池上，能量足夠大的入射光子的電子到達(dá)導(dǎo)帶，在價帶上留下空位，形成光生電子空穴對，吸收層中的光生電子涌入ＥＴＬ，而光生空穴涌入ＨＴＬ，分離。３）電子和空穴分別經(jīng)由ＥＴＬ和ＨＴＬ輸運(yùn)到兩極而被電壓，若形成回路則產(chǎn)生光生電流。逡逑

邋Ａｍ邋ｉ逡逑0ｘ逡逑圖１．１鈣鈦礦晶型逡逑１．２３鈣鈦礦太陽能電池逡逑鈣鈦礦太陽能電池，顧名思義，就是將鈣鈦礦材料作為光吸收層的太陽能電池。逡逑它雖源于有機(jī)染料敏化電池，卻同時具備了有機(jī)太陽能電池和無機(jī)太陽能電池的諸多逡逑優(yōu)點(diǎn)。逡逑１．２．３．丨鈣鈥礦電池的結(jié)構(gòu)逡逑圖１．２給出了鈣鈦礦太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)�？梢钥吹诫姵刂饕桑桑裕蠈�(dǎo)電薄膜、逡逑電子傳輸層（ＥＴＬ）、鈣鈦礦吸收層、空穴傳輸層（ＨＴＬ）和對電極五部分組成。其工逡逑作原理可以理解為：１）太陽光照射到電池上，能量足夠大的入射光子將會激發(fā)吸收層逡逑材料價帶上的電子到達(dá)導(dǎo)帶，在價帶上留下空位，形成光生電子空穴對。２）由于內(nèi)建逡逑電場的牽引，吸收層中的光生電子涌入ＥＴＬ，而光生空穴涌入ＨＴＬ，從而實(shí)現(xiàn)光生電逡逑子和空穴的分離。３）電子和空穴分別經(jīng)由ＥＴＬ和ＨＴＬ輸運(yùn)到兩極而被收集，從而在兩逡逑極形成光生電壓，若形成回路則產(chǎn)生光生電流。逡

鈣鈦礦太陽能電池中最重要的組成部分是媽鈦礦光吸收層。鈣鈦礦光吸收層可以逡逑采用多種方法進(jìn)行制備，比較常見的有一步溶液法、兩步溶液法、蒸發(fā)法以及溶液－逡逑氣相沉積法等（如圖１．４所示）。逡逑一步法是應(yīng)用較為廣泛的制備方法。以ＣＨ３ＮＨ３ＰｂＸ３為例，將ＰｂＸ２與ＣＨ３ＮＨ３Ｉ逡逑以一定的摩爾比例混合（ＰｂＣｋ：邋ＣＨ３ＮＨ３Ｉ＝１：３［４７］，Ｐｂｌ２：ＣＨ３ＮＨ３Ｉ＝ｌ：ｌ邋ｔ４８］）溶于邋ＤＭＦ邋（７－逡逑丁內(nèi)酯）溶液中，攪拌溶液至澄清，以旋涂［４９］的方式使溶液附著在電子傳輸層上。然逡逑后對薄膜進(jìn)行熱處理，便可得到棕褐色的鈣鈦礦薄膜。目前采用一步法制備的電池最逡逑高效率達(dá)２２．１邋％＿。逡逑２０１３年，Ｍ．Ｇｒａｔｚｅｌ等人首次將兩步法引入到鈣鈦礦太陽能電池的制備中，且取逡逑得了邋１４．１％的效率［２５］。兩步法是指先將Ｐｂｌ２粉末溶于ＤＭＦ溶液中，７０°Ｃ加熱攪拌至逡逑澄清后旋涂到介孔Ｔｉ０２上。晾干后，將襯底浸入含ＣＨ３ＮＨ３Ｉ的異丙醇溶液（１０邋ｍｇ／ｍＬ）逡逑中

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 盧永娟;梁山;陳淼;賈均紅;;化學(xué)浴法Cu_2S納米晶薄膜的制備及其光學(xué)特性研究[J];功能材料;2008年11期

本文編號：2790976