三元无机半导体材料的合成及在钙钛矿太阳电池中的应用
发布时间：2020-07-22 23:12
【摘要】：自2009年以来,经过短短数年的发展,以有机-无机杂化钙钛矿材料为吸光层的钙钛矿太阳电池的光电转化效率得到了飞速的上升,从最初的3.8%增加到了 22.7%,充分展现出了其巨大的应用前景。钙钛矿太阳电池主要由电子传输层、钙钛矿吸光层和空穴传输层等组成。在前期研究过程中发现,导致钙钛矿太阳电池不稳定的因素较多,各功能层的材料及结构均会对稳定性造成影响。为了增加太阳电池的稳定性,我们从对其影响较大的电子传输材料和钙钛矿材料本体入手,开展了一系列的研究:(1)在电子传输材料方面,对于电池光照稳定性能造成较大影响的原因在于常用的钙钛矿电子传输材料TiO_2具有很强的光催化性能,会诱导钙钛矿吸光材料的光降解。针对该问题,论文首次提出使用三元无机钙钛矿型氧化物锡酸钡BaSnO_3(BSO)代替原有的TiO_2介孔电子传输材料。利用锡酸钡优良的光电性能,以及具有低催化活性、高电迁移率和无需相变的特点,通过合成出高分散的BSO纳米颗粒浆料并制备出优良的BSO介孔电子传输层,成功制备了与传统钙钛矿太阳电池光伏性能相似的BSO钙钛矿太阳电池,证明了使用三元无机半导体材料代替原有电子传输材料的可行性。之后利用BSO易于通过修饰成分和掺杂等方式调制改变自身的光学和电学性能的特性,将掺镧锡酸钡La-BaSnO_3(LBSO)作为电子传输材料应用于PSCs中。所制备出的新型LBSO钙钛矿太阳电池实现了在不牺牲器件光伏性能的前提下有效地提高了钙钛矿太阳电池的光照稳定性。(2)从钙钛矿吸光材料本身来说,该类材料尤其是经典的碘铅甲胺CH_3NH_3PbI_3材料具有较不稳定的化学性质,对光、热、湿度等条件均非常敏感,易降解。而化学性能较稳定且无毒无污染的铋基钙钛矿吸光材料是具有研究价值的新型钙钛矿材料。通过使用一种简单易操作且制备条件温和的溶剂调控法制备三元无机钙钛矿材料碘铋铯Cs_3Bi_2I_9,相比于传统的制备方法有效地改善了薄膜形貌,获得了较高的器件效率以及良好的长期稳定性能。除了钙钛矿型的吸光材料外,通过参考和分析钙钛矿吸光材料和器件的光电性能、能带结构以及电荷传输机理等性质,筛选并合成了新型三元无机吸光材料硫锡银Ag_8SnS_6(ATS),该材料光电性能优秀并且无毒无污染,化学稳定性好。基于ATS的电池器件展现出了具有发展潜力的光电转化效率以及卓越的长期稳定性能。本文主要通过对钙钛矿太阳电池中原有的功能材料造成的电池缺陷和稳定性问题进行分析研究,筛选、合成和使用性能优异的三元无机半导体材料代替电池中的原有功能材料,针对性地解决钙钛矿太阳电池的稳定性差、有毒有污染等问题。这些研究改善了钙钛矿太阳电池中受到原有功能材料限制的问题,并可以为新型功能材料在钙钛矿太阳电池中的应用提供指导和思路。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM914.4
【图文】：
各国能源战略的重要组成部分。而我国“十三五”规划之中也紧跟国际步伐，进逡逑一步调整和升级了能源发展策略，以提高我国的非化石能源的占比为目标，将多逡逑种清洁的可再生能源放在了发展的首要位置。图１．２为ＲＥＮ２１发布的２０１６年可逡逑再生能源全球装机总量，金砖四国，欧盟以及前６个国家的装机量排名Ｗ。从图逡逑中可以看出，中国排在了以个体国家排名的可再生能源装机量的首位，且远超第逡逑二名美国一百多千兆瓦，而金砖四国中也以中国的装机量占比最大。可以看出虽逡逑然我国的太阳光伏发电领域起步相对较晚，但在国家政策的大力扶持下得到了飞逡逑速的发展并引起了全球性的关注。此外，根据国家进一步的未来发展规划，预计逡逑２逡逑
２０１８年３月，由美国国家可再生能源实验室（Ｎａｔｉｏｎａｌ邋Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ邋Ｅｎｅｒｇｙ逡逑Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，邋ＮＲＥＬ）发布的由国际各权威机构认证公布的各种本阳电池在实验室逡逑内的最高光电转化效率如图１．３所示Ｗ。逡逑Ｂｅｓｔ邋Ｒｅｓｅａｒｃｈ－Ｃｅｌｌ邋Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓ逦ＯＮｊＲＥＬ逡逑５２邋ｊ逦＿ｔ：．ｒｒｒ．．ｒＴｒｒ逡逑逦＿逡逑？逦ｆ逡逑Ｇ邋ｉ邋（Ｖ—＊ｙｌ＊＊＊ｌＶ邋ｉｔｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｔｉｉｉｉｉｉｉｉｔｉｉｉｉｉｉｉｔｉｉｉｉ邋ｉ：－＇逡逑１９？５逦１９８０逦１９８５逦１９９０逦１９９５逦２０００逦Ｊ！００５逦２０１０逦２０１５逦２０２０逡逑图１．３邋２０１８年ＮＲＥＬ发布的由国际各权威机构认证公布的各种太阳电池在实验室内的最氋光逡逑电转化效率。逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋Ｔｈｅ邋ｂｅｓｔ邋ｒｅｓｅａｒｃｈ－ｃｅｌｌ邋ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓ邋ｏｆ邋ｓｏｌａｒ邋ｃｅｌｌｓ邋ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ邋ｂｙ邋ＮＲＥＬ邋ｉｎ邋２０１８．逡逑１．２．１硅基太阳电池逡逑娃基（薄膜）太阳电池（Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ邋Ｓｉ邋ｃｅｌｌｓ）邋—般是指对所有以单质娃为主逡逑要材料辅以其他少量元素掺杂制备得到的太阳电池的总称。由于其最早开始被研逡逑[偅獾缱省⑿阅芪榷ㄇ掖蠊婺Ｉ际踅衔墒欤悄壳吧桃祷罡摺㈠义嫌τ梅段ё罟愕奶舻绯亍９杌舻绯刂饕舜骋庖迳系牡谝淮ゾЧ桢义系绯亍⒍嗑Ч璧绯匾约胺蔷Ч璞∧さ绯兀ㄈ缤迹保此荆５ゾЧ璧绯厥且愿叽垮义隙龋ǎ荆梗梗梗梗梗ィ┑牡ゾЧ栉饕牧系奶舻绯兀彩悄壳凹际鹾头⒄苟技壕义辖衔墒斓奶舻绯
本文编号：2766500
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM914.4
【图文】：
各国能源战略的重要组成部分。而我国“十三五”规划之中也紧跟国际步伐，进逡逑一步调整和升级了能源发展策略，以提高我国的非化石能源的占比为目标，将多逡逑种清洁的可再生能源放在了发展的首要位置。图１．２为ＲＥＮ２１发布的２０１６年可逡逑再生能源全球装机总量，金砖四国，欧盟以及前６个国家的装机量排名Ｗ。从图逡逑中可以看出，中国排在了以个体国家排名的可再生能源装机量的首位，且远超第逡逑二名美国一百多千兆瓦，而金砖四国中也以中国的装机量占比最大。可以看出虽逡逑然我国的太阳光伏发电领域起步相对较晚，但在国家政策的大力扶持下得到了飞逡逑速的发展并引起了全球性的关注。此外，根据国家进一步的未来发展规划，预计逡逑２逡逑
２０１８年３月，由美国国家可再生能源实验室（Ｎａｔｉｏｎａｌ邋Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ邋Ｅｎｅｒｇｙ逡逑Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，邋ＮＲＥＬ）发布的由国际各权威机构认证公布的各种本阳电池在实验室逡逑内的最高光电转化效率如图１．３所示Ｗ。逡逑Ｂｅｓｔ邋Ｒｅｓｅａｒｃｈ－Ｃｅｌｌ邋Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓ逦ＯＮｊＲＥＬ逡逑５２邋ｊ逦＿ｔ：．ｒｒｒ．．ｒＴｒｒ逡逑逦＿逡逑？逦ｆ逡逑Ｇ邋ｉ邋（Ｖ—＊ｙｌ＊＊＊ｌＶ邋ｉｔｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｔｉｉｉｉｉｉｉｉｔｉｉｉｉｉｉｉｔｉｉｉｉ邋ｉ：－＇逡逑１９？５逦１９８０逦１９８５逦１９９０逦１９９５逦２０００逦Ｊ！００５逦２０１０逦２０１５逦２０２０逡逑图１．３邋２０１８年ＮＲＥＬ发布的由国际各权威机构认证公布的各种太阳电池在实验室内的最氋光逡逑电转化效率。逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋Ｔｈｅ邋ｂｅｓｔ邋ｒｅｓｅａｒｃｈ－ｃｅｌｌ邋ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓ邋ｏｆ邋ｓｏｌａｒ邋ｃｅｌｌｓ邋ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ邋ｂｙ邋ＮＲＥＬ邋ｉｎ邋２０１８．逡逑１．２．１硅基太阳电池逡逑娃基（薄膜）太阳电池（Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ邋Ｓｉ邋ｃｅｌｌｓ）邋—般是指对所有以单质娃为主逡逑要材料辅以其他少量元素掺杂制备得到的太阳电池的总称。由于其最早开始被研逡逑[偅獾缱省⑿阅芪榷ㄇ掖蠊婺Ｉ际踅衔墒欤悄壳吧桃祷罡摺㈠义嫌τ梅段ё罟愕奶舻绯亍９杌舻绯刂饕舜骋庖迳系牡谝淮ゾЧ桢义系绯亍⒍嗑Ч璧绯匾约胺蔷Ч璞∧さ绯兀ㄈ缤迹保此荆５ゾЧ璧绯厥且愿叽垮义隙龋ǎ荆梗梗梗梗梗ィ┑牡ゾЧ栉饕牧系奶舻绯兀彩悄壳凹际鹾头⒄苟技壕义辖衔墒斓奶舻绯
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