本文關(guān)鍵詞：太陽能電池用有機(jī)—無機(jī)雜化鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)與光電性能

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【摘要】：隨著煤、石油、天然氣等不可再生能源的日益枯竭,利用太陽能應(yīng)對能源危機(jī)和環(huán)境問題已成為各國研究人員的重要課題。有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦太陽能電池自2009年被發(fā)現(xiàn)以來,由于其低溫可制備、穩(wěn)定性高、成本低廉等優(yōu)點(diǎn),短短幾年時間得到了迅猛的發(fā)展,其光電轉(zhuǎn)換效率從最初的3.8%到今年已經(jīng)達(dá)到了22.1%。而作為太陽能電池的光吸收層材料,有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦薄膜的性能對太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率會產(chǎn)生極大的影響,因此對有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)與光電性質(zhì)的研究十分必要。本文探尋了有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦CH3NH3PbI3晶體的穩(wěn)定結(jié)構(gòu),并建立了具有Cl摻雜的CH3NH3PbI3-xClx以及CH3NH3PCl3晶體結(jié)構(gòu),通過使用Material Studio軟件中CASTEP程序,對所建立的結(jié)構(gòu)進(jìn)行第一性原理計算,得到不同體系材料的電子結(jié)構(gòu)與光電性質(zhì)。計算結(jié)果表明,CH3NH3PbI3-xClx體系的光吸收性能與載流子濃度要優(yōu)于CH3NH3PbX3體系,而其中的CH3NH3PbI2Cl鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)計算得到的載流子濃度較大,帶隙又相對較小,吸收范圍最廣,更適合作為太陽能電池的光吸收層材料。在理論計算的基礎(chǔ)上,本文選擇CH3NH3Cl與PbI2(Ⅱ)粉末與DMF有機(jī)溶液混合作為前驅(qū)體溶液,通過對溶液的差熱-熱重分析而制定了制備CH3NH3PbI3-xClx有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦薄膜的工藝參數(shù),對得到的鈣鈦礦薄膜進(jìn)行測試與表征,并對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。最終得到基底導(dǎo)電玻璃加熱170℃時旋涂,得到的薄膜隨后在120℃下保溫10min退火的最優(yōu)工藝參數(shù)。通過對鈣鈦礦薄膜的結(jié)構(gòu)表征,發(fā)現(xiàn)與以往報道不同的是,CH3NH3PbI3-xClx鈣鈦礦材料的X射線衍射圖在14.8°與15.2°存在峰值,并且其結(jié)果與第一性原理計算得到的結(jié)果擬合良好。最后,采用COMSOL有限元軟件對不含空穴傳輸材料的有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦平面異質(zhì)結(jié)太陽能電池進(jìn)行建模及數(shù)值模擬,模擬采用計算與實(shí)驗(yàn)得到的相關(guān)參數(shù)。通過模擬單色光和太陽光對電池的輻照,得到不同鈣鈦礦電池的光電響應(yīng),并設(shè)計得到最優(yōu)鈣鈦礦太陽能電池結(jié)構(gòu)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),選擇厚度為300nm的CH3NH3PbI2Cl體系鈣鈦礦薄膜作為電池光吸收層時得到的鈣鈦礦平面異質(zhì)結(jié)太陽能電池光吸收范圍最廣、光電轉(zhuǎn)換效率最高。
【關(guān)鍵詞】：太陽能電池 有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦 第一性原理計算 CH3NH3PbI3-xClx COMSOL
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 緒論9-26
• 1.1 引言9-10
• 1.2 有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦太陽能電池的研究現(xiàn)狀10-19
• 1.2.1 有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦太陽能電池的種類與結(jié)構(gòu)11-14
• 1.2.2 有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦太陽能電池的工作過程14-16
• 1.2.3 有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦太陽能電池的性能參數(shù)16-19
• 1.3 有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)19-20
• 1.4 有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦薄膜的制備工藝20-21
• 1.5 有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦結(jié)構(gòu)及電池結(jié)構(gòu)的計算研究進(jìn)展21-22
• 1.6 有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的第一性原理計算方法22-24
• 1.6.1 Kohn-Sham方程23
• 1.6.2 交換關(guān)聯(lián)泛函23-24
• 1.7 有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦太陽能電池面臨的問題24
• 1.8 研究內(nèi)容24-26
• 第2章 材料計算及研究方案26-37
• 2.1 材料體系的計算設(shè)計26-33
• 2.1.1 計算軟件及方法26
• 2.1.2 電子結(jié)構(gòu)與光電性質(zhì)的預(yù)測26-27
• 2.1.3 載流子濃度的計算27-33
• 2.2 有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦薄膜的制備與表征33-35
• 2.2.1 有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦薄膜的制備33-34
• 2.2.2 有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦薄膜的性能測試與表征34-35
• 2.2.3 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備35
• 2.3 有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦太陽能電池器件的模擬35-37
• 第3章 Cl對有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的影響37-51
• 3.1 初始晶體結(jié)構(gòu)的建立37-42
• 3.2 電子結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果42-50
• 3.2.1 能帶42-44
• 3.2.2 態(tài)密度44-47
• 3.2.3 電荷布局47-48
• 3.2.4 載流子濃度48-49
• 3.2.5 光吸收譜49-50
• 3.3 本章小結(jié)50-51
• 第4章 鈣鈦礦材料CH_3NH_3PbI_(3-x)Cl_x的制備與表征51-69
• 4.1 有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦的形成過程分析51-52
• 4.2 鈣鈦礦薄膜的形貌與成分分析52-61
• 4.3 鈣鈦礦薄膜的結(jié)構(gòu)分析61-65
• 4.4 光電性能測試與分析65-67
• 4.4.1 光吸收譜65-66
• 4.4.2 光致發(fā)光實(shí)驗(yàn)結(jié)果66-67
• 4.5 本章小結(jié)67-69
• 第5章 鈣鈦礦平面異質(zhì)結(jié)太陽電池工作數(shù)值模擬69-79
• 5.1 引言69
• 5.2 有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦平面異質(zhì)結(jié)太陽能電池模型建立69-73
• 5.3 單色光輻照下鈣鈦礦太陽能電池工作的光電響應(yīng)73-74
• 5.4 太陽光輻照下鈣鈦礦太陽電池工作的光電響應(yīng)74-77
• 5.5 本章小結(jié)77-79
• 結(jié)論79-81
• 參考文獻(xiàn)81-85
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果85-87
• 致謝87

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本文編號：523463