全印刷介观钙钛矿太阳能电池中光吸收层材料与对电极的研究

发布时间：2020-06-05 03:24

【摘要】：ABX_3型卤化物钙钛矿是以[BX_6]~(4-)八面体作为骨架,A离子嵌在[PbI_6]~(4-)八面体间隙并与12个相邻近的卤素离子形成的立方晶体结构。卤化物钙钛矿具有优异的光学与电学性质,良好的成膜性,简单的制备工艺,可用于多种器件结构中等优势。自2009年首次将卤化物钙钛矿作为光吸收层材料应用于染料敏化太阳能中取得了3.8%的光电转换效率之后,短短的几年时间器件的光电转换效率已经达到22.7%,这远远超过染料敏化太阳能电池与有机聚合物太阳能电池的最高光电转换效率,成为光伏领域研究的热点。在多种钙钛矿太阳能电池器件结构中,全印刷介观TiO_2/Al_2O_3(/NiO)/碳电极型的器件结构由于其制备过程简单,制备成本低以及优异的器件稳定性等优势,成为一种极具发展潜力的器件结构。目前,与金属电极钙钛矿太阳能电池相比,全印刷介观钙钛矿太阳能电池的光电转换效率仍然较低。此外,CH_3NH_3PbI_3是钙钛矿太阳能电池中研究最为广泛的一类钙钛矿材料。但是,其差的热稳定性限制了其商业化的应用。针对以上问题,本论文以全印刷介观钙钛矿太阳能电池中光吸收材料与对电极作为研究对象开展了以下工作:(1)通过研究不同Cs取代量对Cs_x(FA_(0.4)MA_(0.6))_(1-x)PbI_(2.8)Br_(0.2)钙钛矿材料性质的影响,发现随着Cs取代量的增加,吸收光谱随之发生蓝移,激子束缚能随之增加。随后,我们将不同Cs取代量的Cs_x(FA_(0.4)MA_(0.6))_(1-x)PbI_(2.8)Br_(0.2)钙钛矿运用于全印刷介观TiO_2/Al_2O_3/NiO/碳电极器件结构中,发现基于Cs_(0.05)(FA_(0.4)MA_(0.6))_(0.95)PbI_(2.8)Br_(0.2)的钙钛矿太阳能电池取得了17.02%的光电转换效率。利用暂态光电压/光电流衰减测试,电化学阻抗谱,多光强等测试研究了Cs的取代对器件内载流子传输性能的影响。研究发现,与未用Cs取代的钙钛矿太阳能电池相比,Cs_(0.05)(FA_(0.4)MA_(0.6))_(0.95)PbI_(2.8)Br_(0.2)钙钛矿太阳能电池具有更长的载流子传输长度,能够有效的减少载流子在传输过程中的复合反应。此外,在Cs_(0.05)(FA_(0.4)MA_(0.6))_(0.95)PbI_(2.8)Br_(0.2)钙钛矿太阳能电池制中载流子处于平衡状态,不利于复合中心产生复合反应。此外,Cs_(0.05)(FA_(0.4)MA_(0.6))_(0.95)PbI_(2.8)Br_(0.2)钙钛矿太阳能电池表现出优异的热稳定性。(2)研究了不同Bi~(3+)掺杂量对Cs(Pb:xBi)I_2Br钙钛矿材料性质的影响以及将其应用于TiO_2/Al_2O_3/NiO/碳电极器件结构中对器件性能的影响。随着Bi离子掺杂量的增加,Cs(Pb:xBi)I_2Br钙钛矿材料的吸收光谱随之发生红移并会使钙钛矿晶体结构收缩。但是,Bi~(3+)掺杂后器件的光电转换效率会发生骤降。我们利用时间分辨荧光光谱与电化学阻抗测试去探究器件性能降低的原因,我们发现在CsPbI_2Br钙钛矿中掺入Bi~(3+)后,薄膜内的双分子复合和缺陷态复合过程均变得更加严重。且Bi~(3+)的掺入会导致器件界面处的态密度分布变宽,致使器件界面处的缺陷态密度增加,界面处的复合过程加快。(3)利用NiO纳米颗粒与单壁碳纳米管制备出具有优异空穴抽取能力的NiO/单壁碳纳米管薄膜(~1.8μm)。我们将此薄膜应用于全印刷钙钛矿太阳能电池中取得了12.7%的光电转换效率。通过电化学阻抗测试发现,以~1.8μm的NiO/单壁碳纳米管薄膜作为对电极的器件具有更好的载流子收集效率。
【图文】：

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中科技大学博士学位论1 绪论经济发展的重要物质保障。在我国经济快速发展的油、天然气等）的消耗总量也不断增加。然而，世并且大规模使用传统能源会带来诸多的环境问题。球无法承受的边缘，严重地破坏了自然界的生态平发展的限制，，减少对环境造成的污染，加大对新的。

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华中科技大学博士学位论文钙钛矿膜中的深能级缺陷，得到了 22.1%的认证光电转换效率，1 cm-2时的光电转换效率为 19.7%[79]。目前，已经有研究小组制备出 NREL 认证的 22.7%的光电转换效率，这是目前钙钛矿太阳电池中最高的光电转换效率（如图 1-7 所示）。但是，还未出现相关文章的报道[80]。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM914.4

【参考文献】