【摘要】：近年來(lái),有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦太陽(yáng)能電池因其在效率方面突飛猛進(jìn)的提升而引起了研究者們的廣泛關(guān)注,其光電轉(zhuǎn)換效率已由2009年報(bào)道的3.8%發(fā)展到現(xiàn)在的22.7%,并且鈣鈦礦太陽(yáng)能電池可采取低溫溶液法處理、制備工藝簡(jiǎn)單以及成本低。但由于鈣鈦礦太陽(yáng)能電池對(duì)制備和使用環(huán)境敏感,使得鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的商業(yè)性應(yīng)用受到極大限制。因此,如何提高鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件的環(huán)境穩(wěn)定性成為丞待解決的問(wèn)題。為了改善鈣鈦礦材料的本征穩(wěn)定性,本文通過(guò)引入部分陽(yáng)離子以及陰離子對(duì)甲脒鉛碘(FAPbI_3)進(jìn)行摻雜,選取了不同的摻雜比例,利用Cs~+對(duì)結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)作用以及Br~-部分替代鹵素能減少缺陷的作用,探索了混合的陽(yáng)離子FA~+/Cs~+以及陰離子Br~-/I~-對(duì)鈣鈦礦材料性能的影響。通過(guò)對(duì)旋涂轉(zhuǎn)速、反溶劑、加熱溫度及時(shí)間等因素的探索,確定了最佳的薄膜制備工藝。最終確定了在空氣環(huán)境中鈣鈦礦的最優(yōu)摻雜比例為FA_(0.8)Cs_(0.2)PbI_(2.68)Br_(0.32),制得的電池取得了13.9%的效率,并且在相對(duì)濕度為60±5%的濕氣環(huán)境中測(cè)試10天后,仍保持原始效率的82.5%,而FAPbI_3電池在含水分的空氣環(huán)境中降解很快,到第4天后就幾乎無(wú)響應(yīng)。在此基礎(chǔ)上,在前驅(qū)體溶液中加入Pb(SCN)_2添加劑,研究了其對(duì)鈣鈦礦薄膜質(zhì)量的調(diào)節(jié)以及對(duì)電池穩(wěn)定性的改善作用。結(jié)果表明含添加劑的鈣鈦礦薄膜的晶粒取向性增強(qiáng)結(jié)晶度更高,薄膜的平整致密性增強(qiáng)覆蓋率提高。以含2mol%添加劑的薄膜制備成的電池效率最高達(dá)17.0%,在相對(duì)濕度為60±5%濕氣環(huán)境中測(cè)試45天后效率保持在初始效率的85.1%以及在光濕氛圍下測(cè)試30天后保持61.2%的初始效率。
【圖文】：

現(xiàn)在的22.7%[10]，如圖1-1所示。鈣鈦礦型材料作為其中起關(guān)鍵作用的光敏材料，具有合適的禁帶寬度和較高的吸光系數(shù)能有效利用太陽(yáng)光，并且有較高的雙極性載流子遷移率和較長(zhǎng)的擴(kuò)散長(zhǎng)度以保證光電效應(yīng)的發(fā)生。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池允許低溫溶液法制備，工藝簡(jiǎn)單易操作，，成本小能耗低，在短短幾年內(nèi)效率突飛猛進(jìn)，成為了目前最有前途的新型太陽(yáng)能電池。圖 1-1 鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效率發(fā)展圖Fig. 1-1 The chart of the developing efficiencies of perovskite solar cells1.2 鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的簡(jiǎn)介1.2.1 電池的器件結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池目前主要采用的有兩種結(jié)構(gòu)（如圖 1-2 所示），第一類鈣鈦礦太陽(yáng)能電池為平面結(jié)構(gòu)，其基本結(jié)構(gòu)為光陽(yáng)極、電子傳輸材料層、鈣鈦礦層、空穴傳輸層以及背電極；第二類鈣鈦礦太陽(yáng)能電池為介孔結(jié)構(gòu)，相比較平面結(jié)構(gòu)的電池，其在電子傳輸材料層和鈣鈦礦層中多了一層介孔材料，這種結(jié)構(gòu)延續(xù)了染料敏化太陽(yáng)能電池的特點(diǎn)

圖 1-2 平面結(jié)構(gòu)和介孔結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1-2 Schematic illustration of the planar and mesoporous perovskite film architectures insolar cells電子傳輸層不僅僅能有效快速的從鈣鈦礦層提取電子，還能阻擋空穴傳至光陽(yáng)極。二氧化鈦是最常用的電子傳輸材料，采用二氧化鈦為電子傳輸層制備得到的電池效率高達(dá) 22.1%，但所采用的二氧化鈦為金紅石構(gòu)型，此構(gòu)型需要在高溫500℃下煅燒才能轉(zhuǎn)換得到，能耗較大并且不能用于制備柔性器件。氧化鋅具有優(yōu)越的光學(xué)特性，形貌更易控制，電子遷移率高、允許低溫制備薄膜，是較為理想的電子傳輸材料，Kelly 的實(shí)驗(yàn)室通過(guò)制備以氧化鋅納米粒子為電子傳輸材料的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到 15.7%，并且制備的柔性器件的光電轉(zhuǎn)換效率也達(dá)到了 10%[11]。有機(jī)的電子傳輸材料的穩(wěn)定性較金屬氧化物更好，能滿足在柔性器件上使用，例如 PCBM 即為較常用的材料，當(dāng)將 PCBM 用作電子傳輸材料置于鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中時(shí)，取得了 18.7%的光電轉(zhuǎn)換效率，電池放在相對(duì)濕度為 30%的黑暗環(huán)境下時(shí)，在經(jīng)過(guò) 30 天后，電池的效率都保持不變，并且光照 200 小時(shí)后也未出現(xiàn)降解的跡象[12]。
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM914.4

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本文編號(hào)：2629198