掺杂对钙钛矿太阳能电池材料的稳定性影响的理论研究

发布时间：2020-09-01 06:59

　　近年来,虽然CH_3NH_3PbI_3类钙钛矿太阳能电池发展迅猛,但是其在化学稳定性方面的问题却不容忽视。主要原因是离子迁移会导致CH_3NH_3PbI_3的I-V曲线异常滞后,从而大大降低了器件的稳定性。因此,探索阻碍主要离子迁移的机理,对提高电池的稳定性及设计出高性能的钙钛矿太阳能电池具有指导意义。本文选取了溴及铯离子分别替换碘离子和甲基铵阳离子,并且计算了相应的卤素空位和间隙离子的迁移势垒,最后又利用密度泛函理论研究了替换后钙钛矿的光电性能等。本文的主要内容如下:(1)用溴离子对CH_3NH_3PbI_3中的碘离子分别进行50%和100%替换,并针对卤素离子分别设计空位和间隙离子缺陷,分别计算了CH_3NH_3PbI_3,CH_3NH_3PbBr_3和CH_3NH_3Pb(I_(0.5)Br_(0.5))_3三种钙钛矿中卤素离子的迁移势垒。结果表明溴替换能有效地增大卤素离子的迁移势垒,从而抑制卤素离子的迁移;(2)分别计算溴替换后的三种钙钛矿的带结构和光吸收系数,结果表明,CH_3NH_3Pb(I_(0.5)Br_(0.5))_3和CH_3NH_3PbBr_3的带隙均比CH_3NH_3PbI_3的带隙有所增大,而光吸收性能均不同程度的劣于CH_3NH_3PbI_3。这表明用溴对碘离子进行部分替换,可在保持光电性能基本稳定的同时提高材料的稳定性;(3)用铯离子对CH_3NH_3PbI_3中的甲基铵阳离子进行半替换和全部替换。结果表明,三种钙钛矿的带结构及带隙值都十分相近,而且光吸收能力也基本相同。虽然用铯进行全替换不能有效地增大碘离子的迁移势垒,但是半替换的铯却能够大幅度增加碘离子的迁移势垒,从而抑制碘离子的迁移。
【学位单位】：中国石油大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM914.4;TB34
【部分图文】：

太阳能电池,效率,钙钛矿

第1 章绪论发展轨道。仅一年以后,电池的效率就已经超过 15%，并顺利跻身于当年《科学》杂志刊登的十大科学突破。2014 年, Yang 等人另辟蹊径，它们将制备工艺进行优化，成功地将器件的能量转换效率提升到了 19.3%。再后来, 韩国 KRICT 研究所报道的钙钛矿电池的光电转换效率已经达到 20.1%，这种火箭般的发展速度已经充分彰显出了钙钛矿的巨大潜力。截止到 2018 年，经过认证的钙钛矿太阳能电池的效率已经超过 22%[5-13]，各太阳能电池的发展趋势如图 1.1 所示。钙钛矿太阳能电池的迅猛发展是前所未有的，这必须得到太阳能电池领域的研究者的高度重视。

钙钛矿,立方晶体,太阳能电池,基本结构

- 4 -图 1.2 钙钛矿太阳能电池的基本结构(a)和典型 ABX3型立方晶体结构(b)Fig 1.2 The structure of the perovskite solar cells (a) and cubic perovskite crystalstructure (b)[30-31]图 1.2(a)为钙钛矿太阳能电池的构成和基本工作原理。如果从材料在电池中所起的作用来看，该电池可分为五部分，分别为 FTO 导电玻璃、电子传输层（致密的 TiO2薄膜）、钙钛矿吸光层、空穴传输层以及金属对电极层。一般情况下，研究人员会首先将一层多孔纳米 TiO2沉积在导电基底 FTO 上，然后在二氧化钛上面附着一层 CH3NH3PbX3类钙钛矿材料，紧接着在这层材料上方沉积一种 p 型材料

晶体结构,碘离子

它并不占据其中的主导地位，而替换铅是更加不明智的做法，因为铅的存在是铅钙钛矿效率高的关键因素[43-45,47-48,49-50]，而且铅骨架的存在也是此类铅碘钙钛矿定性的重要保证。多数研究表明，碘离子的存在和容易迁移更可能是铅碘钙钛矿低稳定性的根。考虑到溴离子和碘离子为同一主族元素，而且碘离子的离子半径要远大于溴离，可能是铅碘键不稳定的来源，而且溴和碘的性质较为相似，用溴替换碘可能不在很大程度上影响铅碘钙钛矿的光吸收能力。虽然在实验上也有很多关于离子换或者掺杂的研究，而且结论也不尽相同，甚至可能会大相径庭，但是在理论上溴来替换碘并进行相关离子迁移的计算还是少之又少，尤其是在混合卤素钙钛中。因此，我们初步选择用溴对碘离子进行部分替换和全替换，并且计算相应的子迁移势垒，在理论上研究溴替换是否能够减弱碘离子的迁移，进而对提高铅碘钛矿的稳定性有所帮助。

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