鈣鈦礦太陽能電池的新型界面?zhèn)鬏攲友芯?/H1>
發(fā)布時間：2020-11-04 15:03
有機-無機鉛鹵鈣鈦礦因其具有較高的光學吸光系數(shù)及帶隙可調(diào)等優(yōu)點得到了廣泛研究,目前鈣鈦礦太陽能電池的認證效率已達24.2%。本論文主要開展新型界面?zhèn)鬏攲拥难芯?通過界面工程和能級工程,使用新型電子傳輸層(ETL)改善器件內(nèi)部電荷輸運不匹配,提高器件的光電轉(zhuǎn)換效率,并進一步使用具有疏水功能的空穴傳輸層(HTL)來提高鈣鈦礦電池的長期穩(wěn)定性。有機-無機混合陽離子鈣鈦礦器件中的電子遷移率低于空穴遷移率,造成器件電荷傳輸不匹配,制約鈣鈦礦器件效率的發(fā)展。針對這一問題,我們主要開展新型ETL的研究來改善器件內(nèi)部電子的傳輸能力,進而提高器件效率:首先,使用萘二酰亞胺分散石墨烯對SnO_2進行修飾,獲得電子遷移率高達4.67×10~(-4) cm~2·V~(-1)·s~(-1)的高導電水溶性SnO_2-石墨烯作為ETL用于正式平板器件。由于鈣鈦礦/ETL界面的范德華相互作用,鈣鈦礦的無機框架[PbI_6]~(4-)將會固定在與之接觸的ETL上,達到抑制界面非輻射復(fù)合、降低載流子傳輸損失的效果,使得單結(jié)鈣鈦礦太陽能電池的填充因子高達82.1%,光電轉(zhuǎn)換效率達20.16%;其次,采用自組裝沉積的方法制備出電子遷移率高達7.85×10~(-4) cm~2·V~(-1)·s~(-1)的二維SnS_2 ETL用于正式平板電池。器件界面處由于Pb-S特殊作用所形成的微觀鑲嵌結(jié)構(gòu),有助于鈣鈦礦晶體均勻生長,促進界面處的電子抽取,抑制界面處電壓降損失,實現(xiàn)器件中電子和空穴的傳輸平衡,獲得1.161 V的開路電壓,效率達20.12%。此部分工作為進一步研究利用ETL解決器件內(nèi)部載流子傳輸不匹配問題及改善鈣鈦礦太陽能電池器件性能提供了新的思路。鈣鈦礦太陽能電池差的長期穩(wěn)定性嚴重阻礙其生產(chǎn)發(fā)展,對正式平板器件而言,通過研究疏水性良好的HTL來減少外環(huán)境對鈣鈦礦吸光層的影響是有效提高器件長期穩(wěn)定性的重要方法,對此我們開展以下工作:使用具有不同給體單元和π橋梁的吡咯并吡咯二酮作為HTL;采用吩噻嗪或三苯胺為給體,二噻吩并苯并噻二唑(DTPBT)為受體,構(gòu)建D-A-D型HTL;使用三苯胺為給體,苯并三唑類分子為受體,構(gòu)建D-A-D型HTL。將上述HTL分別用于結(jié)構(gòu)為ITO/ETL/MAPbI_(3-x)Cl_x/HTL/Au鈣鈦礦電池中,相應(yīng)器件均具有良好的長期穩(wěn)定性。其中,基于吩噻嗪和DTPBT的HTL具有強推/拉電子能力,使相應(yīng)器件具有較強的空穴抽取能力,器件效率為14.2%且未封裝器件在280小時后仍保持80%初始效率;基于三苯胺和苯并三唑吲哚的HTL獲得未摻雜的電池效率13.22%且材料優(yōu)異的疏水性(與水的接觸角高達105°)提高了未封裝器件的穩(wěn)定性。該部分研究為通過開發(fā)新型疏水性HTL來提高鈣鈦礦電池的長期穩(wěn)定性提供了重要的實驗指導。
【學位單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TM914.4
【部分圖文】：
圖 1-1 太陽能電池發(fā)展歷程和種類Figure 1-1 The development course and types of solar cells.型太陽能電池中，鈣鈦礦太陽能電池的研究取得了突破性進展 2013 年被 Science 評為 10 大突破性科技之一[4]。鈣鈦礦材料度（大于 1 μm），高的載流子遷移速率（約 0.6 cm2·V-1·s-1），600nm 處可達 5.7×104cm-1）、合適且可調(diào)的光學帶隙（約 1.1~2范圍、比較簡單可行的制備程序和優(yōu)良的雙極性載流子輸運特性鈦礦太陽能電池效率迅速增長（目前已>20%），而且器件結(jié)構(gòu)刷等技術(shù)制備，具有明顯的競爭優(yōu)勢[6]。目前鈣鈦礦太陽能電研究熱點，取得了眾多引人注目的成果。礦太陽能電池的研究進展
圖 1-2 鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)圖Figure 1-2 The diagram of perovskite crystalline structure.鈦礦材料的形成和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性需滿足：1）正負離子價態(tài)的電中性守則；負離子的離子半徑需要滿足八面體因子 μ=rB/rX和 Goldsmith 容rB)/√2(rB+rX)，兩式中的rA、rB和rX分別為鈣鈦礦晶體中 A 位陽離子半徑半徑和 X 位陰離子半徑，其中常用的離子半徑數(shù)值為rMA+=2.70 ，rI-=2.1.19 ，rCs+=1.81 。rA、rB和rX三種離子半徑的大小決定晶體的類型，只半徑的關(guān)系在 0.44<μ<0.90 且 0.8<t<1 范圍內(nèi)時[10]，才能形成穩(wěn)定的鈣，此時鈣鈦礦材料的光吸收在 750~880 nm 波長范圍內(nèi)，鈣鈦礦材料的1.40~1.65eV（早期報道較多的 MAPbI3的光學帶隙為 1.52eV，F(xiàn)APbI3的1.41eV，混合鹵素 MAPbI3-xClx的光學帶隙為 1.63eV）。而當 0.8<t<0.9 時體結(jié)構(gòu)會變形出現(xiàn)正交、菱形或四方等晶體結(jié)構(gòu)。若容忍因子 t>1，即
華 中 科 技 大 學 博 士 學 位 論 文頭過濾即可獲得鈣鈦礦前驅(qū)體溶液。制備薄膜時，不采用反溶劑時即一步法旋涂退火之后即可獲得鈣鈦礦薄膜，此過程制備薄膜較為簡單。而在反溶劑旋涂過程中，則需要在特定時間點滴入反溶劑（如甲苯、氯苯、乙醚等），以去除多余溶劑、促進鈣鈦礦晶體的形成，從而可以制備大晶粒鈣鈦礦薄膜，此制備過程可以控制鈣鈦礦薄膜的厚度、均勻性和薄膜形貌等性能[14,15]。兩步旋涂法通常是將黃色粉末 PbI2溶解于 DMF溶劑并通過加熱、攪拌進行溶解，采用 0.22μm 有機過濾頭過濾即可使用，將 MAI 固體溶解于異丙醇（IPA）溶劑中，待攪拌溶解之后即獲得兩步法旋涂的前驅(qū)體溶液。首先在一定轉(zhuǎn)速之下旋涂 PbI2溶液，并在 70 oC 加熱退火~30 min 左右形成黃色薄膜，冷卻至室溫后再旋涂 MAI 溶液，并在手套箱氮氣氛圍中 135 oC 加熱退火~15 min 形成黑色鈣鈦礦多晶薄膜。
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本文編號：2870249
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【學位單位】：華中科技大學
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