铟/锌配位聚合物修饰钙钛矿和空穴传输层及光电性能研究
发布时间：2021-08-24 14:54
经过短短几年的发展,钙钛矿太阳能电池便得到了广泛的关注,这是由于钙钛矿太阳能电池具有消光系数高、双极性载流子输运性质、结构简单和利于规模化生产等优点。目前,钙钛矿电池的光电转换效率获得了极大提升,足以和商业化的硅基太阳能电池相媲美。但是,钙钛矿电池仍然存在光谱响应范围窄、薄膜表面缺陷多、对湿度敏感稳定性差和界面电荷传输效率低等缺点。因此,需要调节钙钛矿带隙、优化钙钛矿结晶和形貌、引入疏水材料、降低电荷输运能量损失,拓展其响应光谱范围、降低薄膜表面缺陷,提高疏水性和稳定性并加速电荷输运效率。通过调节钙钛矿带隙的方式对拓宽钙钛矿光谱响应范围进行了研究。在钙钛矿中引入带隙较窄,离子半径较大的碘化甲脒,使钙钛矿晶格膨胀,将钙钛矿的光谱响应拓展至近红外区域。当引入的窄带隙物质比例过大时,会引起电池开路电压的衰减。因此,引入新的溴元素,在对光谱吸收影响较小的前提下调节钙钛矿晶格常数,实现开路电压的提升。结果表明,电池光谱响应拓宽至近红外区域,开路电压增大,电池的光电转效率也由12.6%提升至14.8%。借助构筑配位聚合物修饰钙钛矿吸光层的手段减少了钙钛矿缺陷。利用溶剂热法合成以含氮杂环邻菲罗啉为有...
【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】：146 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
一步法、两步法、气相沉积法制备钙钛矿示意图[42,43]
由可见光拓展至850nm的近红外光区域[83]，如图1-7所示。但是，甲脒阳离子半径较大，会使钙钛矿晶格发生膨胀，带隙随之降低，因此制备电池的短路电流密度得到提高，但开路电压却有所降低。对于B位金属离子的研究表明，金属离子和卤素间的键角对钙钛矿的带隙有着十分重要的影响，键角增大，带隙降低。Barry等人利用Sn对Pb进行部分取代，通过调节二者的比例实现了材料对近红外光谱响应的调节[84]。但是，掺入部分Sn会导致钙钛矿薄膜质量严重下降，而Sn对制备工艺和环境相当敏感，要求较高，限制了这一研究方向的发展。图1-7FAPbI3钙钛矿电池示意图[83]Figure1-7SchematicofFAPbI3perovskitesolarcell[83]X位的卤素原子同样对钙钛矿的晶格常数有着重要影响，当X原子半径增大时，可以降低与Pb之间的作用力，提高对长波长区域的光响应，因此可以掺杂卤素原子调节钙钛矿的吸收光谱。Chen等人通过调节钙钛矿中I、Br、Cl元素的比例，实现了对钙钛矿开路电压和光电性能的调节[85]。Nan等人通过实验发现，Cl元素的掺杂几乎不会影响钙钛矿的光谱吸收，这是由于Cl元素很难进入钙钛矿的三维结构，在钙钛矿薄膜热处理退火过程中Cl往往容易离开晶格，因此Cl元素的掺杂只起到了改变晶体生长并影响钙钛矿最终的形貌和缺陷的作用[86]。但是，由于掺杂Cl元素后缺陷减少，会增加载流子的扩散长度。除了对钙钛矿结构进行调节外，通过增加电池中光散射现象，增加光在电池内部的传输路径和时间也是提高钙钛矿光谱利用率的有效方法。Montoya课题研究表明增加钙钛矿吸光层的表面粗糙度，可以有效利用入射光并增大光在电池内部的传输路径，提高钙钛矿电池的光电转换效率[87]。优化钙钛矿薄膜的形貌和结晶度，可以从钙钛矿制备过程入手，调节钙钛矿的退?
第1章绪论13的成果。钙钛矿的退火环境会对钙钛矿的形貌产生重要影响，Ghahremani等人研究了是否退火与钙钛矿薄膜质量和电池光电性能的关系，确定了钙钛矿薄膜高温退火过程的必要性[88]。Merdasa等人通过对钙钛矿薄膜退火温度的研究，发现钙钛矿在高温退火过程中发生了溶剂的蒸发和钙钛矿的结晶，由于钙钛矿性质不够稳定，会产生过量的PbI2，研究深入分析了过量PbI2对钙钛矿性能产生的作用机理，对钙钛矿的制备产生了重要影响[89]。同时，对于退火的氛围，一批学者进行了深入探索，发现在γ-丁内酯(GBL)、二甲基亚砜(DMSO)、1-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)等不同的退火环境下，钙钛矿表现出不同的结晶度和形貌[90-92]，和对照组相比，退火处理后的钙钛矿薄膜粒径增大，粗糙度也有所提升，如图1-8所示，不同退火氛围的处理能够减少钙钛矿缺陷，有利于载流子的分离和输运，提高电池的光电转换效率。图1-8NMP修饰钙钛矿电池示意图[92]Figure1-8SchematicofNMPmodifiedperovskitesolarcell[92]溶剂会直接影响钙钛矿的结晶和形貌。戴松元课题组在两步法制备钙钛矿的过程中，将适量1-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)和二甲基乙酰胺(DMAC)，与二甲基亚砜(DMSO)混合，发现PbI2中的Pb可以与上述物质配位，形成PbI2(DMSO)x、PbI2(NMP)x、PbI2(DMAC)x物质[93]，通过优化上述溶剂的比例，可以获得不同形貌和结晶度的钙钛矿薄膜，为提高电池的光电转换效率提供参考。Park等人选择2-甲氧基乙醇取代N,N-二甲基甲酰胺(DMF)作为钙钛矿制备过程中的溶剂，提高了钙钛矿薄膜覆盖率，减少了钙钛矿薄膜的表面缺陷[94]。黄富志教授在一步法制备钙钛矿薄膜过程中，利用环境友好的正丁醇取代有毒的氯苯反溶剂，提高了钙钛矿
【参考文献】：
期刊论文
[1]钙钛矿：下一个颠覆者？[J]. 李帅. 能源. 2019(10)
[2]钙钛矿/银电极界面降解和离子迁移的原位研究（英文）[J]. 李雄,丁红鹤,李贵航,王岩,方志敏,杨上峰,鞠焕鑫,朱俊发. Chinese Journal of Chemical Physics. 2019(03)
博士论文
[1]聚合物太阳能电池的界面修饰及性能优化[D]. 黄帅.吉林大学 2019
[2]太阳能与燃煤互补发电系统全工况设计优化[D]. 王建星.华北电力大学(北京) 2019
[3]氢化二氧化钛光电极的制备及其DSSC与PSC光电性能研究[D]. 苏婷.哈尔滨工业大学 2017
[4]新型力致变色材料的设计、合成及应用[D]. 王毅.吉林大学 2016
硕士论文
[1]建筑玻璃采光顶遮阳性能差异实验研究[D]. 李岩.华南理工大学 2019
本文编号：3360201
【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】：146 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
一步法、两步法、气相沉积法制备钙钛矿示意图[42,43]
由可见光拓展至850nm的近红外光区域[83]，如图1-7所示。但是，甲脒阳离子半径较大，会使钙钛矿晶格发生膨胀，带隙随之降低，因此制备电池的短路电流密度得到提高，但开路电压却有所降低。对于B位金属离子的研究表明，金属离子和卤素间的键角对钙钛矿的带隙有着十分重要的影响，键角增大，带隙降低。Barry等人利用Sn对Pb进行部分取代，通过调节二者的比例实现了材料对近红外光谱响应的调节[84]。但是，掺入部分Sn会导致钙钛矿薄膜质量严重下降，而Sn对制备工艺和环境相当敏感，要求较高，限制了这一研究方向的发展。图1-7FAPbI3钙钛矿电池示意图[83]Figure1-7SchematicofFAPbI3perovskitesolarcell[83]X位的卤素原子同样对钙钛矿的晶格常数有着重要影响，当X原子半径增大时，可以降低与Pb之间的作用力，提高对长波长区域的光响应，因此可以掺杂卤素原子调节钙钛矿的吸收光谱。Chen等人通过调节钙钛矿中I、Br、Cl元素的比例，实现了对钙钛矿开路电压和光电性能的调节[85]。Nan等人通过实验发现，Cl元素的掺杂几乎不会影响钙钛矿的光谱吸收，这是由于Cl元素很难进入钙钛矿的三维结构，在钙钛矿薄膜热处理退火过程中Cl往往容易离开晶格，因此Cl元素的掺杂只起到了改变晶体生长并影响钙钛矿最终的形貌和缺陷的作用[86]。但是，由于掺杂Cl元素后缺陷减少，会增加载流子的扩散长度。除了对钙钛矿结构进行调节外，通过增加电池中光散射现象，增加光在电池内部的传输路径和时间也是提高钙钛矿光谱利用率的有效方法。Montoya课题研究表明增加钙钛矿吸光层的表面粗糙度，可以有效利用入射光并增大光在电池内部的传输路径，提高钙钛矿电池的光电转换效率[87]。优化钙钛矿薄膜的形貌和结晶度，可以从钙钛矿制备过程入手，调节钙钛矿的退?
第1章绪论13的成果。钙钛矿的退火环境会对钙钛矿的形貌产生重要影响，Ghahremani等人研究了是否退火与钙钛矿薄膜质量和电池光电性能的关系，确定了钙钛矿薄膜高温退火过程的必要性[88]。Merdasa等人通过对钙钛矿薄膜退火温度的研究，发现钙钛矿在高温退火过程中发生了溶剂的蒸发和钙钛矿的结晶，由于钙钛矿性质不够稳定，会产生过量的PbI2，研究深入分析了过量PbI2对钙钛矿性能产生的作用机理，对钙钛矿的制备产生了重要影响[89]。同时，对于退火的氛围，一批学者进行了深入探索，发现在γ-丁内酯(GBL)、二甲基亚砜(DMSO)、1-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)等不同的退火环境下，钙钛矿表现出不同的结晶度和形貌[90-92]，和对照组相比，退火处理后的钙钛矿薄膜粒径增大，粗糙度也有所提升，如图1-8所示，不同退火氛围的处理能够减少钙钛矿缺陷，有利于载流子的分离和输运，提高电池的光电转换效率。图1-8NMP修饰钙钛矿电池示意图[92]Figure1-8SchematicofNMPmodifiedperovskitesolarcell[92]溶剂会直接影响钙钛矿的结晶和形貌。戴松元课题组在两步法制备钙钛矿的过程中，将适量1-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)和二甲基乙酰胺(DMAC)，与二甲基亚砜(DMSO)混合，发现PbI2中的Pb可以与上述物质配位，形成PbI2(DMSO)x、PbI2(NMP)x、PbI2(DMAC)x物质[93]，通过优化上述溶剂的比例，可以获得不同形貌和结晶度的钙钛矿薄膜，为提高电池的光电转换效率提供参考。Park等人选择2-甲氧基乙醇取代N,N-二甲基甲酰胺(DMF)作为钙钛矿制备过程中的溶剂，提高了钙钛矿薄膜覆盖率，减少了钙钛矿薄膜的表面缺陷[94]。黄富志教授在一步法制备钙钛矿薄膜过程中，利用环境友好的正丁醇取代有毒的氯苯反溶剂，提高了钙钛矿
【参考文献】：
期刊论文
[1]钙钛矿：下一个颠覆者？[J]. 李帅. 能源. 2019(10)
[2]钙钛矿/银电极界面降解和离子迁移的原位研究（英文）[J]. 李雄,丁红鹤,李贵航,王岩,方志敏,杨上峰,鞠焕鑫,朱俊发. Chinese Journal of Chemical Physics. 2019(03)
博士论文
[1]聚合物太阳能电池的界面修饰及性能优化[D]. 黄帅.吉林大学 2019
[2]太阳能与燃煤互补发电系统全工况设计优化[D]. 王建星.华北电力大学(北京) 2019
[3]氢化二氧化钛光电极的制备及其DSSC与PSC光电性能研究[D]. 苏婷.哈尔滨工业大学 2017
[4]新型力致变色材料的设计、合成及应用[D]. 王毅.吉林大学 2016
硕士论文
[1]建筑玻璃采光顶遮阳性能差异实验研究[D]. 李岩.华南理工大学 2019
本文编号：3360201
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