有机与有机—无机杂化钙钛矿太阳能电池界面修饰的研究

发布时间：2020-04-03 05:16

【摘要】：近年来,纳米材料因其独特的化学,电学,光学等特性,越来越多地作为界面修饰材料应用到新型光电子器件上。本工作通过低温制备无表面配体修饰的n型TiO2纳米晶和p型超薄二维钙钛矿纳米片(PEA)2PbX4(X=Cl,Br,I),将其作为界面修饰材料应用在有机以及有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池中,研究其界面特性以及对器件性能的影响。论文着重从纳米材料设计合成、表面特性和光电特性研究、成膜工艺、设计新的器件结构等多方面进行了阐述,从新材料结构设计以及器件性能优化上提供了新思路。(1)利用水浴法低温水解合成了表面无配体的可水分散的锐钛矿相与金红石相TiO2纳米晶。将合成的TiO2纳米晶制备成电子传输层应用在基于PTB7:PC71BM体系的有机太阳能电池中,实现了高效的光伏性能。其中基于锐钛矿相TiO2纳米晶的器件得到了最高7.85%的光电转换效率,基于金红石相TiO2纳米晶的器件最高效率为6.93%,两者均高于以无定形TiO2为修饰层器件的6.11%。薄膜与器件的光电特性表征说明器件性能的提升主要来自于所合成的纳米晶具有均一的表面形貌、良好的结晶性、良好的水溶剂单分散性以及合适的能级结构等优异性能,从而导致界面处复合损失的减少以及电荷收集效率的提升。(2)通过简单高效的反向溶剂法合成了一系列分子结构为(PEA)2PbX4(X= Cl,Br,I)的平均仅为几层晶格结构的有机无机杂化钙钛矿纳米片。纳米片表现出良好有机溶剂分散性和厚度可调控性。通过不同卤素元素的掺杂,实现了纳米片吸收光谱与光致发光光谱从可见光到近紫外的连续调控,即通过卤素掺杂调整超薄纳米片的禁带宽度。为研究超薄纳米片的电学特性,将纳米片引入到聚合物p型半导体P3HT,制备了以(PEA)2PbX4(X= Cl,Br,I):P3HT混合薄膜为沟道半导体材料的场效应晶体管。相较于P3HT的参照器件,基于复合薄膜器件的迁移率均有提升,其中基于P3HT:(PEA)2PbI4复合薄膜器件的空穴迁移率提高了两个数量级,达到1.43×10-1 cm2 V-1 s-1。(3)将上述方法合成的二维钙钛矿超薄纳米片作为界面修饰材料作为空穴传输层,结合第一部分工作中制备的锐钛矿相TiO2纳米晶作为电子传输材料,应用到一步法制备的MAPbI3薄膜钙钛矿太阳能电池中,实现了最高光电转换效率达18.53%的钙钛矿太阳能电池,相较于对比器件(15.4%),效率提升20%。薄膜形貌、表面特性、能级结构以及光谱分析等表征揭示了器件性能提升的原因,可归结于:一是纳米片提升了器件的光吸收效率,二是纳米片具备合适的能级结构,修饰了 MAPbI3薄膜的界面缺陷态,三是钙钛矿纳米片可能会提升空穴传输层的迁移率。
【图文】：

近三十年,能源需求,全球能源

北京交通大学博士学位论文逦＾逡逑１引言逡逑对于工业化进程稳步快速发展的当今社会，能源需求问题越来越成为制约发逡逑展的关键因素。依据２０１７年全球能源数据统计年报的结果可知［１］，近三十年来，逡逑全球能源需求增长速度日益加快，其中中国连续１６年位于能源需求总量的第一位。逡逑然而传统的非可再生能源如石油、煤炭的持续大量挖掘使用的同时带来了全球变逡逑暖及环境污染等问题。因此，加快发展可再生且环境友好的新能源并逐步代替传逡逑统的石油、煤炭燃料将成为能源发展的必然趋势。直至２０１６年，全球能源市场结逡逑构正逐步转变，各国可再生能源利用比例飞速发展，然而石油能源仍然提供了大逡逑部分的能源需求，研宄开发可再ｇ新能源既是挑战又是机遇。逡逑３．０逡逑

太阳能电池,效率,有机太阳能电池

１．２有机太阳能电池逡逑有机半导体材料与无机半导体相比迁移率较低，然而却有着更高的光吸收系逡逑数，对于１００邋ｎｍ左右的薄膜却具有很高的光吸收效率，且有机半导体材料可以通逡逑过化学方法进行分子修饰，，进而得到不同物理性能的材料。有机太阳能电池以其逡逑柔性、制作成本低廉、适用于大面积可印刷工艺的优势吸引了大量科研工作者。逡逑研究内容主要包括探究有机太阳能电池的工作机制、设计新的器件结构、设计合逡逑成新的光敏材料体系以及提升器件的光电转换效率。迄今为止，人们已对有机太逡逑阳能电池有了一定的认知且器件的光电转换效率突破了邋１0％［１（），１１］。逡逑１．２．１有机太阳能电池的工作原理逡逑有机太阳能电池的工作原理基于前线轨道理论，最低未占领分子轨道ＬＵＭＯ逡逑
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM914.4

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