空气中TiO 2 电子传输层改性及钙钛矿电池器件性能研究
发布时间：2021-10-09 02:24
钙钛矿太阳能电池由于其低成本和高效率等优点受到广泛关注,迅速成为光伏领域的研究热点,被认为是最具发展潜力和应用价值的下一代光伏器件。尽管经过十多年的发展,钙钛矿太阳能电池的转换效率不断取得突破,但是钙钛矿电池从实验室迈向产业化的过程中仍然面临诸多挑战。有机-无机杂化钙钛矿材料对水和氧十分敏感,具有本征不稳定性,导致电池器件性能退化严重,稳定性差,远远不能满足实际应用的需求。此外,为了获得高质量的钙钛矿薄膜,钙钛矿电池的组装和存储通常需要在惰性气体保护下进行,苛刻的工艺也不利于器件的大规模生产和商业应用。同时,对钙钛矿太阳能电池工作机制的认识正逐渐从宏观进入微观,器件中的电子空穴分离、载流子的输运、电荷在界面处的提取与复合等超快动力学过程需要更加深入地研究。利用超快时间分辨光谱准确地了解钙钛矿电池器件中的载流子的超快动力学过程将有助于提高光电转化效率和改善器件的稳定性,为设计出高效稳定的钙钛矿电池器件提供理论上的指导。本文以此为切入点探究空气环境下钙钛矿电池的组装工艺,并通过调控TiO2/CH3NH3PbI3
【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】：148 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
各种太阳能电池的光电转化最高转换效率的增长趋势图[16]
舾校?庖捕缘绯氐闹票富肪程岢隽私细咭?蟆?当前，绝大部分高效率的PSCs均是在惰性气体保护下完成薄膜的制备和器件的组装，增加了器件的制备成本，同时基于惰性气体保护下的制备和改性工艺在PSCs未来大规模商业化生产中的有效性也有待研究。因此，在空气环境中制备的高效稳定的PSCs，不仅可以降低PSCs的成本，也为PSCs未来的产业化研究奠定基矗1.2钙钛矿太阳能电池简介1.2.1钙钛矿材料简介在钙钛矿中位于体心的钛原子与位于面心的氧原子形成6配位正八面体结构，位于顶点的钙原子与12个氧原子配位形成立方八面体结构，如图1-2a。钙钛矿的“Perovskite”是以俄罗斯矿物学家Perovski名字而命名，通常指一类化学通式为ABX3的物质[17]。而用于PSCs中的钙钛矿为一类有机-无机杂化材料，A位置为单价阳离子，如甲胺阳离子（MA+）、甲脒阳离子（FA+）、Cs+和Rb+离子，B位置为Pb2+和Sn2+金属离子，X位置通常为卤素离子如I-、Br-和Cl-，如图1-2b[18]。与传统的光吸收材料相比，有机-无机杂化钙钛矿材料表现出更强的吸光能力、更高的载流子迁移率和更长的载流子扩散距离。同时，钙钛矿材料的带隙宽度约为1.60eV，并通过钙钛矿材料中A、B和X位置化学组成的调控可以实现带隙宽度的连续调节[19]。例如，利用FA+和MA+双阳离子混合制备的FA0.92MA0.08PbI3钙钛矿材料具有1.50eV的带隙宽度，基于此种材料开发的钙钛矿电池器件的效率已经超过了23%[20]。图1-2钙钛矿的晶体结构[18]a)普通钙钛矿结构b)有机-无机杂化钙钛矿结构Fig.1-2Crystalstructureofperovskitea)generalperovskiteb)organic-inorganichybridperovskite
第1章绪论-5-两步溶液旋涂法是将钙钛矿薄膜的制备分为两步，首先将一定浓度的PbI2旋涂到多孔支架层上，退火后获得PbI2薄膜，再利用一定浓度的CH3NH3I溶液与制备的PbI2反应生成钙钛矿薄膜，根据CH3NH3I加入方式的不同可以分为浸泡法（图1-4a）和旋涂法（图1-4b）两种。Graetzel教授团队首次报道了两步溶液浸泡法制备CH3NH3PbI3钙钛矿薄膜，首先在介孔TiO2薄膜上旋涂PbI2溶液，加热处理后获得PbI2薄膜，再将PbI2薄膜浸泡在一定浓度的CH3NH3I异丙醇溶液里，CH3NH3I与PbI2发生化学反应生成深棕色钙钛矿，加热退火即可获得钙钛矿薄膜，最终组装的钙钛矿电池器件的PCE为15%[26]。尽管此方法获得的电池器件效率较高，但器件重现性较差。为了进一步解决这一问题Park教授团队对浸泡法进行了调整，开发出连续旋涂法制备钙钛矿薄膜，在获得PbI2薄膜上滴加CH3NH3I旋涂制备钙钛矿层，流程如图1-3b。同时研究发现CH3NH3I浓度对钙钛矿薄膜质量有显著的影响，通过优化连续旋涂法中CH3NH3I浓度组装的电池器件具有良好的重现性，最高效率为17%，平均效率16.4%[27]。此后，中科院半导体研究所游经碧课题组先是详细地探讨了连续旋涂法在SnO2和TiO2基底上制备的钙钛矿薄膜形貌及性能差异，实现器件转换效率接近20%[28]，在后续研究中又利用碘化苯乙铵（PEAI）对钙钛矿薄膜表面缺陷进行了钝化，减少了缺陷诱导的非辐射复合，组装的电池器件认证效率为23.32%，开路电压更是高达1.18V[20]。随着各种钝化技术的开发，两步连续沉积钙钛矿薄膜的方法在制备高效转换的电池器件上具有更大发展空间，基于此种方法制备的电池器件正在不断刷新钙钛矿电池的最高效率。图1-4钙钛矿薄膜的两步法制备工艺a)浸泡法[26]b)
本文编号：3425445
【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】：148 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
各种太阳能电池的光电转化最高转换效率的增长趋势图[16]
舾校?庖捕缘绯氐闹票富肪程岢隽私细咭?蟆?当前，绝大部分高效率的PSCs均是在惰性气体保护下完成薄膜的制备和器件的组装，增加了器件的制备成本，同时基于惰性气体保护下的制备和改性工艺在PSCs未来大规模商业化生产中的有效性也有待研究。因此，在空气环境中制备的高效稳定的PSCs，不仅可以降低PSCs的成本，也为PSCs未来的产业化研究奠定基矗1.2钙钛矿太阳能电池简介1.2.1钙钛矿材料简介在钙钛矿中位于体心的钛原子与位于面心的氧原子形成6配位正八面体结构，位于顶点的钙原子与12个氧原子配位形成立方八面体结构，如图1-2a。钙钛矿的“Perovskite”是以俄罗斯矿物学家Perovski名字而命名，通常指一类化学通式为ABX3的物质[17]。而用于PSCs中的钙钛矿为一类有机-无机杂化材料，A位置为单价阳离子，如甲胺阳离子（MA+）、甲脒阳离子（FA+）、Cs+和Rb+离子，B位置为Pb2+和Sn2+金属离子，X位置通常为卤素离子如I-、Br-和Cl-，如图1-2b[18]。与传统的光吸收材料相比，有机-无机杂化钙钛矿材料表现出更强的吸光能力、更高的载流子迁移率和更长的载流子扩散距离。同时，钙钛矿材料的带隙宽度约为1.60eV，并通过钙钛矿材料中A、B和X位置化学组成的调控可以实现带隙宽度的连续调节[19]。例如，利用FA+和MA+双阳离子混合制备的FA0.92MA0.08PbI3钙钛矿材料具有1.50eV的带隙宽度，基于此种材料开发的钙钛矿电池器件的效率已经超过了23%[20]。图1-2钙钛矿的晶体结构[18]a)普通钙钛矿结构b)有机-无机杂化钙钛矿结构Fig.1-2Crystalstructureofperovskitea)generalperovskiteb)organic-inorganichybridperovskite
第1章绪论-5-两步溶液旋涂法是将钙钛矿薄膜的制备分为两步，首先将一定浓度的PbI2旋涂到多孔支架层上，退火后获得PbI2薄膜，再利用一定浓度的CH3NH3I溶液与制备的PbI2反应生成钙钛矿薄膜，根据CH3NH3I加入方式的不同可以分为浸泡法（图1-4a）和旋涂法（图1-4b）两种。Graetzel教授团队首次报道了两步溶液浸泡法制备CH3NH3PbI3钙钛矿薄膜，首先在介孔TiO2薄膜上旋涂PbI2溶液，加热处理后获得PbI2薄膜，再将PbI2薄膜浸泡在一定浓度的CH3NH3I异丙醇溶液里，CH3NH3I与PbI2发生化学反应生成深棕色钙钛矿，加热退火即可获得钙钛矿薄膜，最终组装的钙钛矿电池器件的PCE为15%[26]。尽管此方法获得的电池器件效率较高，但器件重现性较差。为了进一步解决这一问题Park教授团队对浸泡法进行了调整，开发出连续旋涂法制备钙钛矿薄膜，在获得PbI2薄膜上滴加CH3NH3I旋涂制备钙钛矿层，流程如图1-3b。同时研究发现CH3NH3I浓度对钙钛矿薄膜质量有显著的影响，通过优化连续旋涂法中CH3NH3I浓度组装的电池器件具有良好的重现性，最高效率为17%，平均效率16.4%[27]。此后，中科院半导体研究所游经碧课题组先是详细地探讨了连续旋涂法在SnO2和TiO2基底上制备的钙钛矿薄膜形貌及性能差异，实现器件转换效率接近20%[28]，在后续研究中又利用碘化苯乙铵（PEAI）对钙钛矿薄膜表面缺陷进行了钝化，减少了缺陷诱导的非辐射复合，组装的电池器件认证效率为23.32%，开路电压更是高达1.18V[20]。随着各种钝化技术的开发，两步连续沉积钙钛矿薄膜的方法在制备高效转换的电池器件上具有更大发展空间，基于此种方法制备的电池器件正在不断刷新钙钛矿电池的最高效率。图1-4钙钛矿薄膜的两步法制备工艺a)浸泡法[26]b)
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