多酸掺杂的有机金属卤化物钙钛矿光电器件的制备和性能

发布时间：2020-04-24 12:26

【摘要】：进入21世纪以来,太阳能的有效利用一直被认为是解决现在能源危机的重要手段。在众多光电转换材料中,有机金属卤化物钙钛矿因其优异的性质而得到广泛关注。如何提高钙钛矿光电器件的性能以及拓展钙钛矿材料的应用范围成为了现今重要的研究课题。多金属氧酸盐(多酸)是一类良好的电子受体,可以有效地捕获半导体材料中的光生电子,促进电荷分离从而抑制光生电子-空穴的复合,并且多酸所含元素及结构的多样性使其可作为多功能材料被引入光电器件中,提高光电转换效率。本文将多酸作为修饰组分分别引入钙钛矿太阳能电池的电子传输层及介孔层中,提高电池器件的性能,并且开发了基于传统结构的钙钛矿光电极,旨在将钙钛矿的优异性能在光电催化领域得以应用,主要工作如下:1.为了解决全印刷无空穴传输层钙钛矿太阳能电池光电转换效率较低的问题,我们将Keggin型多酸PMo_(12)引入SnO_2电子传输层(ETL)中,并将其替换电池中传统的TiO_2ETL。由于PMo_(12)-SnO_2的电子迁移率远高于TiO_2,并且PMo_(12)的掺杂会使SnO_2导带位置适当下移,使得PMo_(12)-SnO_2具有更强的捕获光生电子然后快速转移到外电路的能力。以PMo_(12)-SnO_2为ETL的电池与基于TiO_2 ETL的电池相比,效率从10.1%提高到12.6%,与基于单纯SnO_2 ETL的电池相比提高了28.5%。PMo_(12)-SnO_2因具有更强的疏水性和较低的烧结温度,在提升电池稳定性的同时降低了电池的制作成本。2.为了开拓有机金属卤化物钙钛矿材料在光电催化领域的应用,我们制备了一种简易的基于传统电极结构的钙钛矿光阳极。考虑到该光阳极需要兼顾防水和传输光生空穴的功能,我们选用商用的导电碳糊和银导电涂料对电极进行包覆,并将其应用于光电催化分解水。在不使用助催化剂的情况下,该光阳极在1.23 V_(RHE)取得了显著的光电流密度12.4 mA/cm~2,法拉第效率达到80%以上。并且,该光阳极具有优异的稳定性,可在碱性电解液中稳定存在48小时以上,在强酸/强碱电解质中连续工作时至少能保持12小时的稳态响应。3.为了解决电池中钙钛矿层对于入射光利用率不足的问题,我们首次将含稀土元素的Weakley型多酸EuW_(10)作为具有光谱下转换功能的材料引入全印刷钙钛矿太阳能电池介孔TiO_2中。EuW_(10)的掺入可以在钙钛矿层之前吸收高能光子,发射与钙钛矿层吸收相匹配的低能光子,从而激发更多的光生电子空穴对,使得电池具有更高的电流密度进而提高电池的光电转换效率。经过测试,基于EuW_(10)-TiO_2介孔层的电池效率最高值可超过14.5%,短路电流密度可达到23.46 mA/cm~2,与基于单纯TiO_2介孔层的电池相比,EuW_(10)的引入使得电池的平均效率提高了25.7%。4.为了进一步拓展有机金属卤化物钙钛矿在光电催化领域的应用,我们制备了基于传统结构的钙钛矿光阴极,并利用多酸PW_(12)诱导钙钛矿层发生奥斯瓦尔德熟化作用,增大了钙钛矿晶粒的尺寸,大幅度减少钙钛矿层的缺陷态密度,促进载流子传输,进而使光阴极的性能明显提高。然后我们将此光阴极首次用于光电催化还原工业废水中致癌的污染物Cr(Ⅵ),并获得了显著的催化效果。
【图文】：

1mary energy demand growth and contributions by再生能源可分为太阳能、风能、水能、生物质能作为一种自然能源，以其储量丰富且无污染工作者们的研究焦点[3,4]。这一广阔的发展前景传统能源带来的压力，并对目前的生态环境问

图 1.4 Progress of perovskite solar cell efficiency from 2009 to 2018.硅系半导体之后新一代走向应用的光电转换材料。1.3 有机金属卤化物钙钛矿太阳能电池1.3.1 钙钛矿太阳能电池的发展历程2009 年，Miyasaka 教授课题组首次将有机金属卤化物钙钛矿材料作为光敏剂引入染料敏化太阳能电池中[48]。他们使用介孔 TiO2层作为光阳极，以 I2/I-和 Br2/Br-的乙腈电解液作为氧化还原电对，分别获得了 3.8%光电转换效率。尽管器件效率不高，但是钙钛矿在可见光区较宽的吸收范围以及高的开路电压，显示出这种钙钛矿材料作为光敏剂的巨大潜力。2011 年，，Park 课题组使用 CH3NH3PbI3量子点作为染料制备了敏化太阳能电池，通过优化介孔 TiO2光阳极的条件及钙钛矿前驱体溶液浓度使电池的光电转换效率提高到了 6.5%[64]。由于液态电解质会使钙钛矿分解从而导致电池稳定性的不足，2012年，Park 和 Gr tzel 教授课题组合作研发了首个全固态钙钛矿太阳能电池。他们制备了改性的固态 2,2',7,7'-四（N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基）-9,9'-螺二芴（简称 spiro-MeOTAD）
【学位授予单位】：东北师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM914.4;O643.36;O644.1

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本文编号：2638960