有機-無機雜化鈣鈦礦太陽電池是一種以有機-無機雜化鈣鈦礦材料作為光吸收層的新型太陽電池,從鈣鈦礦太陽電池的崛起發(fā)展到今天,其光電轉(zhuǎn)化效率已超過22%。作為鈣鈦礦太陽電池的光吸收層,有機-無機雜化鈣鈦礦材料由于其載流子遷移率高、載流子擴散長度能達到微米級、光吸收范圍可調(diào)節(jié)、吸收系數(shù)大、缺陷容忍度高、雙極性電荷傳輸和復合速率低等特性而成為半導體材料中的一顆新星。影響鈣鈦礦太陽電池性能的因素有很多,例如鈣鈦礦膜層的晶粒尺寸、鈣鈦礦膜層的覆蓋率、鈣鈦礦材料的成分、界面情況等。本文以二氧化鈦(TiO_2)納米棒陣列為基底,主要從鈣鈦礦光吸收層的成膜質(zhì)量、界面情況以及鈣鈦礦成分方面對鈣鈦礦太陽電池的性能影響進行了研究。首先利用互擴散法制備了四方相的有機-無機雜化鈣鈦礦CH_3NH_3PbI_3(MAPb I_3)光吸收層,然后在此基礎上利用冰醋酸(HAc)溶劑輔助退火對MAPb I_3膜進行了優(yōu)化,提高了其光電性能。最后,在HAc溶劑輔助退火的基礎上,利用溴化銫(CsBr)無水甲醇溶液處理MAPbI_3膜,使得相應鈣鈦礦太陽電池的光電轉(zhuǎn)化效率和穩(wěn)定性有了進一步提高。該論文的主要內(nèi)容如下:(1)利用互擴散法制備鈣鈦礦光吸收層。將碘化鉛(PbI_2)和甲基碘化胺(CH_3NH_3I,MAI)依次旋涂在TiO_2納米棒基底上,以制備MAPb I_3膜。對所制備MAPb I_3的晶體結(jié)構(gòu)、形貌以及相應器件的光電性能及輸出穩(wěn)定性進行了表征。通過調(diào)節(jié)MAI的濃度,制備出了不同的MAPbI_3光吸收層。當MAI濃度為30 mg/ml時,MAPbI_3的孔隙填充度和覆蓋率均較好,所制備出的MAPb I_3幾乎不含Pb I_2,所對應的器件表現(xiàn)出了良好的光電性能,光電轉(zhuǎn)化效率達7.38%,短路電流密度為17.24 mA/cm~2,開路電壓為0.79 V,填充因子為0.54。(2)通過HAc溶劑輔助退火優(yōu)化鈣鈦礦光吸收層進一步提高相應器件的光電轉(zhuǎn)化效率。在互擴散法制備MAPbI_3膜的基礎上,首次在制備MAPbI_3的退火過程中引入HAc溶劑,并對所制備的MAPb I_3光吸收層和相應器件的光伏性能進行了表征。在HAc溶劑輔助退火過程中,HAc蒸汽能為MAI與PbI_2的反應提供一個潤濕的環(huán)境,有利于MAI和PbI_2的互擴散,促進反應的進行。此外,MAPb I_3會在HAc蒸汽的作用下輕微溶解,然后重結(jié)晶,這能有效促進MAPb I_3晶粒在Ti O_2納米棒陣列中的滲透。另一方面,HAc能提高Ti O_2的親水性,有利于PbI_2在TiO_2上很好地附著,最后使MAPbI_3與TiO_2的結(jié)合質(zhì)量提高。與常規(guī)互擴散法所制備的MAPb I_3相比,HAc溶劑輔助退火方法制備的MAPbI_3光吸收層具有更好的孔隙填充度,這能有效減少電子-空穴對的復合。此外,HAc溶劑輔助退火制備的MAPb I_3具有更好的結(jié)晶性。穩(wěn)態(tài)熒光光譜(PL)結(jié)果顯示,HAc溶劑輔助退火制備的樣品在Ti O_2與MAPbI_3之間具有更好的電荷傳輸,證明HAc溶劑輔助退火能明顯改善Ti O_2與MAPbI_3的界面。最后,通過優(yōu)化HAc溶劑輔助退火時間,在退火45 min時制備出了平均光電轉(zhuǎn)化效率高達12.20%的鈣鈦礦太陽電池,這比常規(guī)互擴散法提高了63.54%。(3)通過CsBr無水甲醇溶液處理鈣鈦礦光吸收層提高相應鈣鈦礦太陽電池的光電轉(zhuǎn)化效率和穩(wěn)定性。在HAc溶劑輔助退火制備MAPb I_3的基礎上,利用CsBr的無水甲醇溶液處理MAPbI_3膜。通過這種方法,能夠?qū)s~+和Br~-同時摻雜進MAPb I_3里,形成Cs_xMA_(1-x)Pb I_(3-y)Br_y。摻雜的Cs~+能提高相應器件的穩(wěn)定性,而Br~-摻雜有利于提高電池的開路電壓。另外,MAPb I_3晶粒會在無水甲醇的作用下先部分分解,然后在CsBr的作用下重結(jié)晶,有效促進了鈣鈦礦晶粒的長大。值得注意的是,這種CsBr處理能有效改善鈣鈦礦層與空穴傳輸層的界面。形成的Cs_xMA_(1-x)Pb I_(3-y)Br_y導帶位置有所提高,能與MAPbI_3形成type-Ⅱ型異質(zhì)結(jié),有效阻礙MAPb I_3導帶上的電子與空穴傳輸層最低未占軌道(LUMO)上的空穴復合。SEM結(jié)果顯示,隨著CsBr濃度的增加,鈣鈦礦的晶粒尺寸逐漸增大。但是其光電性能并未隨晶粒尺寸的增加而提高,這主要是因為摻雜的Cs~+和Br~-的量會隨著CsBr濃度的增加而增大,導致相應鈣鈦礦的禁帶寬度變大,從而降低光吸收。通過優(yōu)化CsBr的濃度,在2 mg/ml時制備出了性能最好的鈣鈦礦太陽電池,其光電轉(zhuǎn)化效率高達16.02%,并且在濕度低于15%、室溫、黑暗條件下,經(jīng)過3500小時以后仍保持在14%左右,具有良好的穩(wěn)定性。
【學位單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TM914.4
【部分圖文】：

圖 1.1 不同太陽電池的效率圖。此圖由國家可再生能源實驗室提供（nationalrenewable energy laboratory，NREL，Golden, CO, USA. 2017 年 10 月）[29]。目前，單晶硅太陽電池的制備技術最為成熟，且經(jīng) NREL（national renewableenergy laboratory，國家可再生能源實驗室）認證的實驗室最高光電轉(zhuǎn)化效率高達 27.6%，如圖 1.1 所示。然而，單晶硅材料價格昂貴，制作過程能耗大，使得

吉林大學博士學位論文可以等效為如圖 1.2 所示的電路圖[33]。它相當于一正向二極管并聯(lián)，流過二極管的正向電流 ID在太陽的兩端可以觀察到產(chǎn)生暗電流（ID）的正向電壓 V 實際應用的太陽電池與理想太陽電池的等效電路圖圖中，RSh為旁路電阻，一般情況下，造成旁路電阻由于表面污染而產(chǎn)生的沿著電池邊緣的表面漏電流規(guī)則擴散或者在電極金屬化處理之后，沿著微觀裂的細小橋路而產(chǎn)生的漏電流。RS稱為串聯(lián)電阻，由的體電阻、上下電極與器件之間的歐姆電阻以及金

RSh為旁路電阻，一般情況下，造成旁路電阻由于表面污染而產(chǎn)生的沿著電池邊緣的表面漏電流規(guī)則擴散或者在電極金屬化處理之后，沿著微觀裂的細小橋路而產(chǎn)生的漏電流。RS稱為串聯(lián)電阻，由的體電阻、上下電極與器件之間的歐姆電阻以及金圖 1.2 太陽電池理想情況下的等效電路圖。
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本文編號：2845280