發(fā)布時間：2020-10-17 06:48

　　 太陽電池性能的改善一般得益于工藝及電池結(jié)構(gòu)的改進,但歸根結(jié)底在于各種新材料的廣泛應(yīng)用。鈣鈦礦太陽電池仍舊面臨穩(wěn)定性差、成本高、以及效率進一步提升等問題。面向未來發(fā)展,提高電池性能的根本途徑仍舊是材料問題。必須有針對性地進行高效、高穩(wěn)定材料的設(shè)計,從材料可控合成、器件制備到機理研究等方面著手展開工作。因此,本文主要針對鈣鈦礦太陽電池中的電子傳輸層、鈣鈦礦層開展了研究。目的在于通過基于一維納米線陣列結(jié)構(gòu)電子傳輸層、混合鉛源制備鈣鈦礦層以及鹵素摻雜鈣鈦礦薄膜的鈣鈦礦太陽電池研究,揭示影響太陽電池性能的關(guān)鍵因素,并尋求提高鈣鈦礦太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率的前提下降低器件成本的有效手段。開展了具有一維Ti02納米線陣列結(jié)構(gòu)的電子傳輸層研究。一維Ti02納米線薄膜由于具有可為光生電子提供直接的電子傳輸通道、電子傳輸速率高等優(yōu)點而被廣泛的應(yīng)用于光電子器件。然而,一維納米線水熱生長過程中極易產(chǎn)生團簇,影響鈣鈦礦薄膜的滲透,而且Ti02納米線表面缺陷較多,不利于鈣鈦礦薄膜沉積。本研究首先利用水熱法制備出排列均勻的Ti02納米線薄膜,重點研究了異丙醇鈦(TIP)的濃度及生長時間等參數(shù)對其形貌的影響規(guī)律,并對薄膜的生長機理和影響機制進行了探討。在此基礎(chǔ)上,利用水熱刻蝕、鍛燒處理等方法對Ti02納米線陣列的團簇、表面狀態(tài)進行改善,得到了多孔一維Ti02納米線陣列,并闡明了納米線表面多孔的形成機制。將該薄膜用于鈣鈦礦太陽電池的電子傳輸層,由于鈣鈦礦薄膜成膜質(zhì)量不佳,僅得到2.24%的光電轉(zhuǎn)換效率,未得到優(yōu)于基于介孔TiO2納米晶鈣鈦礦太陽電池的性能表現(xiàn)。利用無鹵素鉛源改善了鈣鈦礦薄膜的成膜質(zhì)量。在目前的研究屮,PbI2是制備CH3NH3Pb13薄膜常用鉛源,使用 Pb(CH3COO)2可以增加鈣鈦礦薄膜的牛.長速度,進而對薄膜形貌進行調(diào)控。由于兩步法制備CH3NH3PbI3薄膜通常由CH3NH3Pb13顆粒堆積而成,顆粒間孔隙會導(dǎo)致電子傳輸層直接觸。本研究通過使用Pb(CH3COO)2和PbI2復(fù)合鉛源以望改善兩步法制備鈣鈦礦薄膜覆蓋性較低問題。通過采用Pb(CH3COO)2和Pbl2 復(fù)介鉛源,揭示了鉛源對CH3NH3PbI3薄膜的結(jié)晶狀況、形貌、光吸收特性以及鈣鈦礦太陽電池光電性能的影響規(guī)律,并進一步探討電池內(nèi)部載流子轉(zhuǎn)移特性。研究發(fā)現(xiàn),Pb(CH3COO)2可有效地改善兩步法制備鈣鈦礦薄膜覆蓋性差的問題,通過改變Pb(CH3COO)2的濃度還實現(xiàn)了對介孔Ti02/CH3NH3PbI3的Pbl2殘余量的有效調(diào)控。結(jié)果表明,適量的Pbl2殘余一方面可鈍化介孔Ti02表面存在的大量缺陷,保證光生電子的高效傳輸;另一方面由于Pbl2導(dǎo)帶位置高于CH3NH3PbI3導(dǎo)帶,可有效減少載流子復(fù)合。采用兩步法制備鈣鈦礦太陽電池中實現(xiàn)了 15%的效率提高;此外,在一步反溶劑法制備鈣鈦礦太陽電池中,也獲得了平均光電轉(zhuǎn)換效率10%的提高(從13.6%到15.0%),器件的開路電壓獲得了大約70 mV的提高。采用低壓氣相輔助溶液法制備鹵素摻雜的鈣鈦礦電池。低壓氣相輔助溶液法對于批量制備表面致密、平整、無針孔的鈣鈦礦薄膜十分有效。該薄膜在平板鈣鈦礦太陽電池中展現(xiàn)出優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換性能。采用Pbl2為鉛源,本研究首先分別使用純CH3NH3Cl/CH3NH3Br進行鹵素摻雜鈣鈦礦薄膜的制備。重點研究了反應(yīng)溫度對鈣鈦礦薄膜的晶體結(jié)構(gòu)、表面形貌、光吸收特性以及鈣鈦礦太陽電池光電性能的影響規(guī)律。進而分別使用CH3NH3C1:CH3NH3I、CH3NH3Br:CH3NH3I混合胺鹽進行鈣鈦礦薄膜制備,研究CH3NH3Cl/CH3NH3Br含量對鈣鈦礦薄膜晶體結(jié)構(gòu)、表面形貌、光吸收特性以及鈣鈦礦太陽電池光電性能的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明,使用含CH3NH3C1胺鹽時,得到CH3NH3PbCl3:CH3NH3PbI3兩相混合的鈣鈦礦;而使用CH3NH3Br胺鹽時得到具有不同Br摻雜量的CH3NH3PbBr3-xIx。通過胺鹽調(diào)控可實現(xiàn)CH3NH3PbI3薄膜中鹵素摻雜量的控制,獲得薄膜均勻性和結(jié)晶性優(yōu)異的鈣鈦礦薄膜,薄膜具有可調(diào)節(jié)的可見光吸收特性和多樣化的電池性能表現(xiàn)。其中,CH3NH3Pbl3-xCld薄膜熒光發(fā)光壽命長于CH3NH3PbBr3-xIx薄膜,基于CH3NH3PbI3-xClx的鈣鈦礦太陽電池效率普遍高于基于CH3NH3PbBr3-xIx電池。在使用15wt%CH3NH3C1:CH3NH3I制備鈣鈦礦薄膜中,獲得基于CH3NH3PbI3-xClx(x≈0)薄膜最高效率達到17.3%的器件,比純CH3NH3PbI3薄膜鈣鈦礦太陽電池效率提高了 21%。同時,器件穩(wěn)定性研究表明,在AM 1.5G持續(xù)光照下,基于CH3NH3PbBr3-xIx薄膜鈣鈦礦太陽電池具有更優(yōu)異的穩(wěn)定性表現(xiàn)。采用低壓氣相輔助溶液法制備CH3NH3PbCl3薄膜。以Pbl2為鉛源制備出平整、致密且無針孔的高質(zhì)量CH3NH3PbCl3薄膜,薄膜晶粒平均大小約1.5m。該方法解決了溶液法制備CH3NH3PbCl3薄膜時PbC12溶解度低、氣相蒸鍍PbCl2薄膜污染嚴重的問題。在氣相反應(yīng)過程中,由Pbl2引入的I元素被CH3NH3Cl中的Cl元素逐步取代,最終可獲得純相的CH3NH3PbCl3薄膜�；谠摫∧さ墓怆娞綔y器在2 mW/cm2輻照下獲得297 μA/W的最優(yōu)響應(yīng)度。
【學(xué)位單位】：華北電力大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TM914.4
【部分圖文】：

新型太陽電池是繼硅基、砷化鎵、碲化鎘以及銅銦鎵硒太陽電池之后，因制??備工藝簡單、成本低廉、相對高效而受到廣泛關(guān)注的新一代太陽電池。其主要包??括五種太陽電池（如圖１－１）：染料敏化太陽電池（ＤＳＳＣｓ）、鈣鈦礦太陽電池（ＰＳＣｓ）、??有機太陽電池（ＯＰＶ）、銅鋅錫硫硒（ＣＺＴＳＳｅ）以及量子點太陽電池等。其中，ＰＳＣｓ??的光電轉(zhuǎn)換效率發(fā)展最為迅速，短短幾年間，效率從３．８％發(fā)展到２２．７％，其效??率在無聚光裝置的薄膜太陽電池中僅次于ＧａＡｓ太陽屯池ＨＩ??Ｂｅｓｔ?Ｒｅｓｅａｒｃｈ－Ｃｅｌｌ?Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓ?ＨＮＲ．ＥＬ??５２１??１??ＵｕＲｉｆｕｎｃｔｉｏｎ?Ｍｋ?ｒ？－ｉａｒｍ？ａｌ．?ｍｏｎｏＭｔａｃ）?ＴＷｏ＾ｔｈｎ?Ｔｅｃｈ？ｃｔ〇ｇ４？?．１�。蓿�?，?＾??■Ｗｍ？Ｍ?？?〇＜ｎ＊?Ｊｕｎａｅｎ?１?？?Ｎ?．??Ｖ?ｌＭＭｉｔｆ＜ｅａ〇ｎ｜ｃ〇ｒｃ？？Ｈｃ〇?Ｏ?ＡｍＮｍａｕ＆ｉｌｄＵＭＭａｉ?ＳＫＸｌｎ）？？?Ｆ－Ｍｒ＊＊－＇，＇?ｎ；?ｂｅｍｅｗ－ｃ＊－?＾?＾?？??４４?－?▼?ＴＭＭ－ｗ＾ｌｎＭ?ＣＣ＾ＭｌｎＭａｒｉ?Ｅｍ？ｖｎｇＰＶ?（ＶＷ?２Ｓ９．?ＷＭ?４Ｍｉ）?ＭＫ??娜??３？－??承?ｆ?嚴功加咖?．２１６．．?Ｈ＾＇?；－：；：?ＭＯＭＨ?ＬＣａｅ＊？ｏ??ｉ：：－－－－－??０?Ｉ?ｆ＞？?Ｉ?ｆ?ｉ?Ｉ?ｉ?

Ｄ．?Ｂ．?Ｍｉｔｚｉ等人最初將有機－無機雜化含鹵素鈣鈦礦薄膜應(yīng)到薄膜場效應(yīng)??晶體管，表現(xiàn)出優(yōu)異的響應(yīng)性能，而引起研究人員對該種材料在光電領(lǐng)域的研究??興趣｜８１。圖１－３為常用錢鈦礦半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)示意圖，其中大部分材料的??帶隙均在】．４?ｅＶ左右，滿足太陽電池理想吸光材料的帶隙要求［９１。高效ＰＳＣｓ屮??常用的ＭＡＰｂｈ在室溫下，其晶體有四方（Ｐ相）和斜方兩種晶型，溫度高于３３０?Ｋ??時發(fā)生可逆相變，轉(zhuǎn)變?yōu)闇柿⒎骄停ǎ嵯啵保ǎ�。ＭＡＰｂｈ為直接帶隙半�?dǎo)體，禁帶??寬度為丨．５８?ｅＶ，電導(dǎo)率為１０－３＿?Ｓ／ｍ３，載流子遷移率為５０?ｃｍ２／（Ｖ＿ｓ），光吸收系數(shù)??高達１〇５，消光系數(shù)較高，幾百納米厚ＭＡＰｂＩ３薄膜就可以充分吸收波長小于８００??ｒｎｎ的光輻射，對藍光和綠光的吸收明顯優(yōu)于硅電池｜ｎ｜。??－２?－??；ＭＡＰｂＢｒ３??－３」?ＭＡＰｂＵ??－－３．３８?３?ＦＡＰｂＬ?ＭＡＣ?．??３?ＭＡＳｎｌ３??Ｏ?；?－３．８８?－３．９２??ｊ?－４：?ｍｍ?ｊ２４?，４４４??＞

Ｄ．?Ｂ．?Ｍｉｔｚｉ等人最初將有機－無機雜化含鹵素鈣鈦礦薄膜應(yīng)到薄膜場效應(yīng)??晶體管，表現(xiàn)出優(yōu)異的響應(yīng)性能，而引起研究人員對該種材料在光電領(lǐng)域的研究??興趣｜８１。圖１－３為常用錢鈦礦半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)示意圖，其中大部分材料的??帶隙均在】．４?ｅＶ左右，滿足太陽電池理想吸光材料的帶隙要求［９１。高效ＰＳＣｓ屮??常用的ＭＡＰｂｈ在室溫下，其晶體有四方（Ｐ相）和斜方兩種晶型，溫度高于３３０?Ｋ??時發(fā)生可逆相變，轉(zhuǎn)變?yōu)闇柿⒎骄停ǎ嵯啵保ǎ荨＃停粒校猓铻橹苯訋栋雽?dǎo)體，禁帶??寬度為丨．５８?ｅＶ，電導(dǎo)率為１０－３＿?Ｓ／ｍ３，載流子遷移率為５０?ｃｍ２／（Ｖ＿ｓ），光吸收系數(shù)??高達１〇５，消光系數(shù)較高，幾百納米厚ＭＡＰｂＩ３薄膜就可以充分吸收波長小于８００??ｒｎｎ的光輻射，對藍光和綠光的吸收明顯優(yōu)于硅電池｜ｎ｜。??－２?－??；ＭＡＰｂＢｒ３??－３」?ＭＡＰｂＵ??－－３．３８?３?ＦＡＰｂＬ?ＭＡＣ?．??３?ＭＡＳｎｌ３??Ｏ?；?－３．８８?－３．９２??ｊ?－４：?ｍｍ?ｊ２４?，４４４??＞
【相似文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 高西漢;鈣鈦礦結(jié)構(gòu)[J];壓電與聲光;1994年04期

2 張曉楠;鄭官豪杰;蘇圳煌;韓玉潔;楊迎國;高興宇;;大氣環(huán)境中溶劑添加劑對制備鈣鈦礦薄膜的影響[J];核技術(shù);2018年05期

3 祝遠民;劉銳銳;詹倩;;畸變鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的晶體定向轉(zhuǎn)換方法與應(yīng)用[J];人工晶體學(xué)報;2014年05期

4 王琳;張敬波;;二維鈣鈦礦材料結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系研究[J];現(xiàn)代鹽化工;2018年02期

5 薄樹峰;孔晟宇;王利利;;鈣鈦礦結(jié)構(gòu)類型的功能材料的結(jié)構(gòu)單元和結(jié)構(gòu)演變[J];科技風(fēng);2017年15期

6 羅童;薛菜平;張春梅;何星輝;周芳;王東棟;;鈣鈦礦太陽電池活性薄膜層的穩(wěn)定性研究[J];北京印刷學(xué)院學(xué)報;2017年08期

7 沈耀國;范寶殿;;鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料的制備方法研究[J];化工時刊;2008年11期

8 黃麗娜;曲炳郡;劉理天;;鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物電脈沖誘發(fā)可逆變阻機理的研究進展[J];功能材料與器件學(xué)報;2007年06期

9 楊雯;陸海鵬;;鈣鈦礦類單相多鐵材料的研究現(xiàn)狀[J];科技資訊;2018年11期

10 韋慧;湯洋;尤暉;;制備方法對鈣鈦礦薄膜結(jié)構(gòu)及形貌的影響[J];化工進展;2018年09期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 胡智萍;鈣鈦礦納米材料的光學(xué)性能調(diào)控及微激光應(yīng)用研究[D];重慶大學(xué);2018年

2 李聰;鈣鈦礦晶體生長機理以及對太陽電池性能影響的研究[D];華北電力大學(xué)(北京);2018年

3 肖黎;鈣鈦礦太陽電池關(guān)鍵材料研究[D];華北電力大學(xué)(北京);2018年

4 許騰;反鈣鈦礦結(jié)構(gòu)化合物薄膜的制備與物性研究[D];中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院物理研究所);2018年

5 畢富珍;有機鉛鹵鈣鈦礦光電特性的理論研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2018年

6 趙宇清;金屬鹵化物鈣鈦礦材料光電特性的第一性原理研究[D];湖南大學(xué);2018年

7 張慧銀;高效鈣鈦礦太陽能電池的制備與穩(wěn)定性研究[D];中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院物理研究所);2018年

8 侯麗新;高效柔性鈣鈦礦太陽電池及器件設(shè)計與穩(wěn)定性研究[D];河北大學(xué);2017年

9 劉文娜;全無機鈣鈦礦納米晶制備及其光電特性和穩(wěn)定性研究[D];北京科技大學(xué);2019年

10 李波;甲胺鹵化鉛鈣鈦礦薄膜的可控生長及其光伏器件[D];北京科技大學(xué);2019年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 孫亞平;高效鈣鈦礦太陽能電池工藝研究[D];湖北大學(xué);2018年

2 周凱旋;A位摻雜與替換對鈣鈦礦材料結(jié)構(gòu)影響的第一性原理研究[D];華北電力大學(xué)(北京);2018年

3 張少朋;鹵素/擬鹵素混合鉛源鈣鈦礦太陽電池的研究[D];華北電力大學(xué)(北京);2018年

4 吳昱穎;B位摻雜層狀鈣鈦礦多鐵材料的性能研究[D];揚州大學(xué);2018年

5 李樂;無機鈣鈦礦及金剛石薄膜光電器件研究[D];鄭州大學(xué);2018年

6 吳晨;無機鹵化物鈣鈦礦的性能研究及其發(fā)光二極管的制備[D];蘇州大學(xué);2018年

7 盛雪曦;基于鈣鈦礦納米晶的可控合成及其應(yīng)用研究[D];南京師范大學(xué);2018年

8 李雄;金屬/鈣鈦礦界面電子結(jié)構(gòu)與化學(xué)反應(yīng)的研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2018年

9 徐學(xué)暉;高k柵極/鈣鈦礦晶體管制備及其光電雙重調(diào)控特性研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2018年

10 李劍波;刮涂法制備新型高效鈣鈦礦薄膜光電器件[D];陜西師范大學(xué);2018年

本文編號：2844443