钙钛矿太阳能电池中电荷传输材料的设计及理论研究

发布时间：2021-10-31 21:25

　　钙钛矿太阳能电池具有诸多潜在的优势,例如,制作成本低、合成工艺简单、光电转换效率高等等,因此受到学术界与工业界的广泛关注。电荷传输材料则是钙钛矿太阳能电池中必不可少的组成部分,其包括空穴传输材料和电子传输材料,本文主要对这两类材料进行研究以期改善钙钛矿太阳能电池的整体性能。基于量子化学理论方法和分子动力学模拟技术,我们发现适当地改变材料分子的构型,比如改变取代基位置、引入介稳分子结构、改变分子的形状,可针对性地提升材料的光电性能、溶液加工性以及热力学稳定性。本文从本质上阐明了微观的分子或电子结构与宏观的材料性质之间的联系,为开发新型有机电荷传输材料提供了有效的策略以及可靠的理论指导,这也将促进高效稳定的钙钛矿太阳能电池的开发。本文的主要内容如下:第一节:据报道,甲氧基苯胺类空穴传输材料的光电性能与其侧链上甲氧基取代基的位置密切相关。为了解释这一现象,通过改变空穴传输材料FDT上甲氧基的位置,我们设计了五种分子。基于密度泛函理论、马库斯电荷转移理论和爱因斯坦关系式,我们对材料的电子结构、光学性质和空穴传输性能进行了研究。计算结果表明,甲氧基的邻位取代或间位取代可以显著降低FDT分子的HO... 

【文章来源】：西南大学重庆市 211工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：92 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

钙钛矿太阳能电池的结构(a)介观结构；(b)平面异质结两种结构

第一节引言3D/Au为例。其工作原理[18]如图1.2所示，主要包括以下几个过程：(1)当太阳光照射到钙钛矿吸光层时，钙钛矿层吸收太阳光能量发生光学激发过程，产生一对自由电子-空穴对，称为激子；(2)电子-空穴对在TiO2/CH3NH3PbI3和CH3NH3PbI3/Spiro-OMeTAD两异质结处实现同时分离；(3)被激发到钙钛矿导带的自由电子会扩散到CH3NH3PbI3/TiO2界面处，并注入到TiO2导带中，自由电子在电子传输层TiO2层中传输并到达FTO阳极，然后经外电路到达Au电极。(4)与此同时，空穴也在钙钛矿价带中产生并且扩散到CH3NH3PbI3/Spiro-OMeTAD的界面处，然后注入到Spiro-OMeTAD的价带中，空穴在空穴传输层Spiro-OMeTAD中传输并到达金属Au对电极。(5)空穴与来自FTO阳极的自由电子结合，形成闭合回路并产生光电流[19,20]。图1.2钙钛矿太阳能电池的工作原理1.2.2钙钛矿太阳能电池空穴传输材料空穴传输材料，简称HTMs，作为空穴传输层其作用是将钙钛矿层中产生的电子-空穴对中的空穴传输到金属对电极，从而实现电子与空穴的有效分离；同时，其具有阻挡来自钙钛矿层中电子而防止发生电荷复合的作用。目前，固态空穴传输材料大致可分为三类[21]：无机材料、高分子材料以及有机小分子材料。用于钙钛矿太阳电池中的中使用的无机空穴传输材料，如CuI，CuSCN和NiO等[22,23]，尽管高它们具有低成本和高的空穴迁移率等潜在优势，但用于沉积这类材料的溶剂分子会将钙钛矿层部分溶解，影响器件稳定性。而聚合物材料具有纯化过程复杂、溶解度低、表征复杂、分子量不确定等缺点，使得开发和合成有机小分子这类空穴传输材料备受关注[24]。近年来，使用最广泛的有机小分子传输材料是

ィ??笔沟肍DT分子以双通道的方式与钙钛矿层之间进行空穴传输行为[26-27]。基于-OMe取代基的位置会对空穴传输材料的光电性能产生巨大的影响，我们主要探索了苯环上-OMe取代基的位置究竟是如何影响FDT分子的特殊相互作用(S···S接触)，堆垛方式，空穴传输性能以及光电性能。因此，这项研究系统地探索了改变-OMe取代基的位置会产生何种影响，这对于开发高性能的空穴传输材料具有实际意义。于此，我们逐步地改变苯环上-OMe的位置，依次从对位到邻位再到间位分别设计了五种FDT衍生物，这些衍生物被命名为F1，F2，F3，F4和F5(图3.1)。基于上述事实，改变-OMe取代基的位置可以对空穴传输材料的光电性能产生很大影响，我们主要研究FDT分子上-OMe取代基的不同位置会对其电子结构，光学吸收性能和空穴传输性能产生怎样的影响。在本文中，我们主要采用密度泛函理论，蒙特卡罗模拟方法[28]和马库斯电荷转移理论[29]进行理论研究，期待这项工作可以为设计性能优良的空穴传输材料提供切实可行的策略。图3.1所有的分子结构。r1，r2分别表示红色和蓝色的甲氧基苯官能团


本文编号：3468875