柔性钙钛矿电池中结晶及电荷传输层优化研究

发布时间：2020-06-07 06:33

【摘要】：从2009年开始,钙钛矿太阳电池效率已经从不足4%到提高到23.3%,可以和其他高效率太阳电池相媲美。九年时间,钙钛矿太阳电池完成了硅基电池近半个世纪的效率提升之路。效率上升如此之快,主要归因于其材料结构的特殊性,在钙钛矿ABX3晶体结构中,BX6构成八面体,BX6之间通过共用的顶点X连接在一起,构成三维骨架,A镶嵌在八面体间隙中使得晶体结构更加稳定。此种结构决定了钙钛矿优良的光电特性;钙钛矿材料是具有较合适的禁带宽度并可以通过掺杂不同元素来调节其带隙位置、高光吸收系数、良好的载流子迁移率、极低的缺陷态密度、载流子寿命长及载流子扩散距离远等集诸多优势于一身的特殊材料。虽然钙钛矿太阳电池发展如此之快,效率如此之高,但柔性钙钛矿太阳电池的发展却相对比较缓慢,归其原因主要是电子传输层制备需要300～400℃退火,远超过柔性高分子材料的适用温度极限。针对目前柔性钙钛矿电池电荷传输层的制备以及对大面积电池效率低等问题,本论文主要做了以下研究工作:Ⅰ.研究了用不同方法制备钙钛矿太阳电池电子传输层以及选择电子束蒸发五氧化二铌作为制备柔性钙钛矿太阳电池的电子传输层。研究结果表明,化学浴沉积方法制备的二氧化钛均匀性好且致密,是很好的电子传输层材料,制备钙钛矿电池可以得到18.15%的转换效率。存在的问题是化学浴沉积法得到的二氧化钛仍需要200℃以上的高温退火和UVO表面处理,与柔性高分子衬底不匹配。因此,仅用低温工艺的真空沉积法是柔性电池的理想制备方法。电子束蒸发在制备金属氧化物薄膜时有其独特优势,我们选择了电子束蒸发的方法,选择不同材料来制备钙钛矿太阳电池电子传输层,最终成功制备以五氧化二铌薄膜为柔性钙钛矿太阳电池电子传输层材料。Ⅱ.研究了利用电子束蒸发五氧化二铌作为钙钛矿太阳电池电子传输层,优化制备工艺和完善电池制备过程。结果表明,不同厚度的Nb2O5薄膜呈现不同的光学性能和电学性能,在可见光范围内,Nb205薄膜有非常优异的透光率和极低的光吸收,是良好的电池窗口层材料,当厚度为60nm时性能最佳,钙钛矿电池呈现最高18.59%的光电转换效率。使用电子束蒸发Nb205样品时衬底不需要加热,可以将其应川到柔性衬底上,在面积为0.09cm2和0.25cm2时,柔性钙钛矿电池转换效率分别达到15.56%和14.03%。Ⅲ.研究了利用甲硫醚(DS)为添加剂来改善钙钛矿薄膜的质量进一步提高柔性钙钛矿太阳电池效率。结果表明,添加剂DS能够抑制钙钛矿薄膜的结晶速度,提高薄膜结晶质量。随着添加剂体积的增加,电池效率明显得到提高。究其原因,主要是因为钙钛矿薄膜的晶粒尺寸变大、结晶趋向变好、缺陷态密度降低和薄膜光电特性提高等。另外,当添加剂体积过量时,薄膜在限定时间内不能完全结晶造成电池效率开始降低。经过优化得到,当添加剂体积比为10%时获得最佳效果,取得小面积柔性钙钛矿太阳电池]8.4%的世界纪录。Ⅳ.研究了利用辛硫醇作为添加剂修饰铯甲眯基钙钛矿(Cs0.05FA0.95PbI3)吸收层进一步提高太阳电池效率。添加剂能有效的提高钙钛矿薄膜的结晶质量、增大晶粒尺寸、增加薄膜厚度、降低薄膜的缺陷态密度等。优化不同体积比的添加剂浓度,获得在体积比为10%时,刚性钙钛矿太阳电池22.43%的光电转换效率。测试电池正反扫结果无明显的差异,为了测试电池的稳定性,我们将没有经过任何封装的电池置于环境湿度30%的空气中90天,测试其转换效率仍能维持在原来效率的90%以上。
【图文】：

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．．图１．１太阳光辐射到地面的不同波谱图逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｔｈｅ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｓｐｅｃｔｒｕｍ邋ｏｆ邋ｓｏｌａｒ邋ｃｅｌｌ邋ｒａｄｉａｔｉｏｎ邋ｏｎ邋ｔｈｅ邋ｇｒｏｕｎｄ．逡逑清洁能源…太阳能电池逡逑，，

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硅太阳电池；第二类是多晶体系的太阳电池，主要包括硫化镉、碲化镉、砷化镓和逡逑铜铟镓硒太阳电池；第三类是新型太阳电池，主要包括染料敏化太阳电池、量子点逡逑太阳电池、聚合物太阳电池和钙钛矿太阳电池［２５＿２９］。各种电池简单分类如图１．３所逡逑示。每一种电池的制备成本决定了其应用的方向，娃电池是最常见的太阳电池，其逡逑成本相对较低，应用范围也广。砷化镓太阳电池虽然转化效率最高但是成本却非常逡逑昂贵，所以限制了它的应用，目前只有在航天航空领域可以用到。逡逑—Ｘ逡逑、、、、邋一逦一逡逑图１．３太阳电池分类逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋Ｔｈｅ邋ｃａｔｅｇｏｒｙ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｓｏｌａｒ邋ｃｅｌｌｓ逡逑根据太阳电池的分类，现阶段电池的效率差别及发展优势各不相同，如表ｕ逡逑所示，其中现阶段实现产业化应用的主要是以硅基电池为主，但是亟待解决的问题逡逑依然存在，现阶段太阳电池仍然面临着高投资，回报周期长且存在风险等问题。而逡逑效率和长期稳定性是解决电池产业化最主要的参考元素，如何发展低成本、高效率逡逑且稳定性好的太阳电池才是解决产业化推进困难关键所在。当然
【学位授予单位】：陕西师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.2;TM914.4

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