金纳米结构的调控合成及其在钙钛矿太阳能电池空穴传输层中的应用
发布时间：2020-12-16 08:21
有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池经十年发展,光电转化效率已逼近如今商业的晶硅太阳能电池,且其结构简单、价格低廉、可柔性制备,很有希望成功商业化并取代晶硅电池。聚噻吩（P3HT）空穴迁移率高,成本低,易合成,是最具商业化潜力的钙钛矿电池空穴传输材料之一,但其制备的电池器件效率不如成本更高、制备更为繁琐的部分空穴传输层材料,限制了钙钛矿太阳能电池的商业化。因此,提高以P3HT为空穴传输层的钙钛矿电池效率对推进其商业化有重要意义。本论文对提高P3HT为空穴传输层的钙钛矿电池效率展开了研究,制备了金纳米棒与金纳米颗粒,并将金纳米棒与P3HT复合制备空穴传输材料制备钙钛矿太阳能电池。结果表明,金纳米棒与P3HT制备的复合材料能够明显提升器件效率,在最优浓度下,光电效率为16.88%,比起P3HT为空穴传输层材料制备的标准器件（13.40%）效率提升26%。这种提升可归因于添加金纳米棒后,P3HT薄膜的结晶性增强,更有利空穴传输;其次金纳米棒的局域表面等离子体共振效应（LSPR）可以有效提升光的利用率。这种有效的策略为P3HT制备的钙钛矿太阳能电池后续商业化提供了思路。本研究中使用的种子介导法合成金...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
太阳能电池的分类[3]
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文-2-能电池转化效率已超过25%[4]，但晶硅太阳能电池原料成本高昂，制造能耗及污染巨大，且已接近其理论效率，已经丧失了未来太阳能电池的市场竞争力；第二代即以砷化镓（AsGa）、锑化镉（CdTe）、铜铟镓硒（CuInGaSn）、非晶硅等为代表的薄膜太阳能电池，整体上第二代太阳能电池光电转化效率高，易于大规模生产，但仍因为各种因素无法完成商业化，如铟、硒等稀有金属储量低，镉毒性大等，也难以与晶硅太阳能电池竞争[3]；而正在研究的其他薄膜太阳能电池都为第三代太阳能电池，包括有机太阳能电池（OPV），染料敏化太阳能电池（DSSCs）以及钙钛矿太阳能电池（PSCs）等，各有特色。尤其是自染料敏化太阳能电池发展而来的钙钛矿太阳能电池，凭借其优异的特性，吸引了世界上众多科学家的注意和兴趣，展开了大量研究，十年间其光电转化效率就由最初的3.1%[5]增加到如今的25.2%[6]，逼近如今已商业化的单晶硅太阳能电池，具有广阔的应用前景，图1-2表明了近年来钙钛矿太阳能电池效率的变化。图1-2钙钛矿太阳能电池光电转化效率折线图[6]钙钛矿泛指具有类似CaTiO3晶体结构的ABX3型化合物，如图1-3所示，A为体积较大的一价阳离子，占据12个阴离子X组成的最密立方堆积的中心，B为体积较小的二价阳离子，位于六个X形成的八面体构型之中，整个结构呈电中性。钙钛矿太阳能电池所使用的钙钛矿，A一般为甲胺基离子（CH3NH3+、CH3NH3、NH2CH=NH2+）、或铯离子（Cs+），B一般为铅离子（Pb2+）或锡离子（Sn2+），X为卤素离子氯离子（Cl-）、溴离子（Br-）、碘离子（I-）[7]。钙钛矿材料吸光系数较高、载流子扩散长度长、激子束缚能低、带隙宽度合适、能
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文-3-级可调[8–12]，用以研发太阳能电池是一种非常理想的材料。图1-3钙钛矿材料的结构2009年，Miyasaka课题组在研究染料敏化电池时，首次将CH3NH3PbBr3和CH3NH3PbI3作为太阳能电池的敏化剂，分别取得了3.13%和3.81%的光电转化效率，开启了钙钛矿太阳能电池领域的研究[5]，引起了部分科学家如Snaith、Gratzel等的关注。2012年，Gratzel等首次引入2,2",7,7"-四[N,N-二（4-甲氧基苯基）氨基]-9,9"-螺二芴（Spiro-OMeTAD），将其作为钙钛矿太阳能电池的空穴传输层，使得光电转化效率达到了9.7%，开始掀起钙钛矿太阳能电池的研究热潮[13]，迄今为止，Spiro-OMeTAD仍是研究最多的空穴传输材料。同年，Snaith等使用氧化铝（Al2O3）作为缓冲层取得了超过1.1V的开路电压[14]，从而得以摆脱介孔二氧化钛（mp-TiO2），更新了电池结构，之后Snaith等发现钙钛矿材料具有超过1μm的激子扩散长度[9]，进一步揭示了钙钛矿太阳能电池独特的性质。2014年，Seok等开发出了一种简便有效的反溶剂制备钙钛矿晶体的方法，降低了钙钛矿太阳能电池的制备能耗和研究门槛，进一步促进了其发展[15]。在此之后，钙钛矿太阳能电池研究突飞猛进，成果不断，新方法新技术层出不穷，效率不断刷新。2019年韩国化学技术研究所（KRICT）和麻省理工大学（MIT）合作制得了效率高达25.2%的钙钛矿太阳能电池，为目前最高效率[6]。随着效率不断飞升，如何使钙钛矿太阳能电池成功产业化、商业化，取代已不适合未来发展的晶硅太阳能电池成为了目前钙钛矿太阳能电池研究
【参考文献】：
期刊论文
[1]十三五我国能源结构迈向清洁低碳[J]. 水电厂自动化. 2016(02)
本文编号：2919848
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
太阳能电池的分类[3]
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文-2-能电池转化效率已超过25%[4]，但晶硅太阳能电池原料成本高昂，制造能耗及污染巨大，且已接近其理论效率，已经丧失了未来太阳能电池的市场竞争力；第二代即以砷化镓（AsGa）、锑化镉（CdTe）、铜铟镓硒（CuInGaSn）、非晶硅等为代表的薄膜太阳能电池，整体上第二代太阳能电池光电转化效率高，易于大规模生产，但仍因为各种因素无法完成商业化，如铟、硒等稀有金属储量低，镉毒性大等，也难以与晶硅太阳能电池竞争[3]；而正在研究的其他薄膜太阳能电池都为第三代太阳能电池，包括有机太阳能电池（OPV），染料敏化太阳能电池（DSSCs）以及钙钛矿太阳能电池（PSCs）等，各有特色。尤其是自染料敏化太阳能电池发展而来的钙钛矿太阳能电池，凭借其优异的特性，吸引了世界上众多科学家的注意和兴趣，展开了大量研究，十年间其光电转化效率就由最初的3.1%[5]增加到如今的25.2%[6]，逼近如今已商业化的单晶硅太阳能电池，具有广阔的应用前景，图1-2表明了近年来钙钛矿太阳能电池效率的变化。图1-2钙钛矿太阳能电池光电转化效率折线图[6]钙钛矿泛指具有类似CaTiO3晶体结构的ABX3型化合物，如图1-3所示，A为体积较大的一价阳离子，占据12个阴离子X组成的最密立方堆积的中心，B为体积较小的二价阳离子，位于六个X形成的八面体构型之中，整个结构呈电中性。钙钛矿太阳能电池所使用的钙钛矿，A一般为甲胺基离子（CH3NH3+、CH3NH3、NH2CH=NH2+）、或铯离子（Cs+），B一般为铅离子（Pb2+）或锡离子（Sn2+），X为卤素离子氯离子（Cl-）、溴离子（Br-）、碘离子（I-）[7]。钙钛矿材料吸光系数较高、载流子扩散长度长、激子束缚能低、带隙宽度合适、能
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文-3-级可调[8–12]，用以研发太阳能电池是一种非常理想的材料。图1-3钙钛矿材料的结构2009年，Miyasaka课题组在研究染料敏化电池时，首次将CH3NH3PbBr3和CH3NH3PbI3作为太阳能电池的敏化剂，分别取得了3.13%和3.81%的光电转化效率，开启了钙钛矿太阳能电池领域的研究[5]，引起了部分科学家如Snaith、Gratzel等的关注。2012年，Gratzel等首次引入2,2",7,7"-四[N,N-二（4-甲氧基苯基）氨基]-9,9"-螺二芴（Spiro-OMeTAD），将其作为钙钛矿太阳能电池的空穴传输层，使得光电转化效率达到了9.7%，开始掀起钙钛矿太阳能电池的研究热潮[13]，迄今为止，Spiro-OMeTAD仍是研究最多的空穴传输材料。同年，Snaith等使用氧化铝（Al2O3）作为缓冲层取得了超过1.1V的开路电压[14]，从而得以摆脱介孔二氧化钛（mp-TiO2），更新了电池结构，之后Snaith等发现钙钛矿材料具有超过1μm的激子扩散长度[9]，进一步揭示了钙钛矿太阳能电池独特的性质。2014年，Seok等开发出了一种简便有效的反溶剂制备钙钛矿晶体的方法，降低了钙钛矿太阳能电池的制备能耗和研究门槛，进一步促进了其发展[15]。在此之后，钙钛矿太阳能电池研究突飞猛进，成果不断，新方法新技术层出不穷，效率不断刷新。2019年韩国化学技术研究所（KRICT）和麻省理工大学（MIT）合作制得了效率高达25.2%的钙钛矿太阳能电池，为目前最高效率[6]。随着效率不断飞升，如何使钙钛矿太阳能电池成功产业化、商业化，取代已不适合未来发展的晶硅太阳能电池成为了目前钙钛矿太阳能电池研究
【参考文献】：
期刊论文
[1]十三五我国能源结构迈向清洁低碳[J]. 水电厂自动化. 2016(02)
本文编号：2919848
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/cailiaohuaxuelunwen/2919848.html
