具有能带梯度的钙钛矿太阳能电池的研究

发布时间：2020-07-23 23:59

【摘要】：钙钛矿材料作为制备光伏/光探测器件,因其具有激子结合能小,吸收系数高,载流子扩散长度较长等特点,近年来引起了学术界广泛的关注。到目前为止,随着材料的升级换代、制备方法和器件结构的进步,器件性能得到了迅速的发展并且其光伏器件的转换效率已经超过了23%。该论文是基于通过使用钙钛矿材料作为活性层制备的体异质结结构的光电器件,并且通过器件结构的设计和薄膜离子调控两方面研究其对器件光电性能的影响,具体内容分为以下两个部分:首先制备了一种具有能带梯度的钙钛矿太阳能电池,器件结构为ITO/NiO/MAPbI_(3-x)Br_x(x=0,1,2或3)/ETL(ICBA,PCBM或ICBA:PCBM)/Al。其特征在于由不同带隙宽度的子电池单元水平串联排列而成,其中携带不同能量的入射光子依次被四个不同的子电池单元MAPbI_xBr_(3-x)俘获,这种器件结构的优势在于尽可能地减少热力学损失和改善钙钛矿太阳能电池的开路电压。基于这种光吸收结构,通过调整入射光的光路途径,由高到低能量的光子被不同带隙的子电池单元分别捕获,其中子电池单元即MAPbI_(3-x)Br_x(x=0,1,2或3)。四个子电池单元分别产生的开路电压值范围是1.15 V到1.54 V,四节串联的子电池得到的总开路电压为5.3 V。这一新型结构的钙钛矿太阳能电池极大地促进了能量转换效率的提高,其效率从纯MAPbI_3电池器件的18%提高到21.3%。接着提出了一种简单的一步刷涂法制备钙钛矿(CH_3NH_3PbI_(2.61)Br_(0.39))可见光探测器,该方法可以在改变钙钛矿薄膜中离子的组成的同时,优化钙钛矿薄膜的形貌,并且具有以下几个优点:刷涂所用的刷毛材料对溶液中的离子具有选择吸附性,可用于钙钛矿薄膜的离子调节;由于刷涂工艺的使用,钙钛矿薄膜中过量的PbI_2可以钝化晶体边界中的缺陷,从而抑制暗电流;根据刷涂过程中离子的富余量,有利于在原溶液中确定各组分的合适比例,从而提前优化过量离子的含量;制备的钙钛矿薄膜具有较高的质量和较少的晶界,使得钙钛矿材料更不易降解。结果表明,相较于常规旋涂工艺制备的钙钛矿光探测器来说,基于刷涂工艺制备的光电探测器其暗电流为1.51×10~(-12)A,探测率为7.69×10~(12)Jones。综上所述,研究所制备的钙钛矿光伏/光探测器件性能相比于传统的器件来说都得到了提升,这为钙钛矿光伏/光探测器件的商业化提供了一种新的可能。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM914.4
【图文】：

2.1 有机无机金属卤化物钙钛矿材料有机无机金属卤化物钙钛矿材料的晶体结构为 ABX3结构，如图 2-1 所示[24]，其中 A 一般代表有机阳离子（如 CH3NH3+，HC(NH2)2+），A 位于钙钛矿晶体结构中立方体的 8 个顶点处，这种结构主要是为了保持晶格中电荷量的平衡，另外，钙钛矿材料的能隙大小受到 A 有机阳离子半径的影响。其中 B 一般代表钙钛矿材料晶体结构中的阳离子（如 Pb2+，Sn2+），B 位于钙钛矿晶体结构中立方体的正中心，对于常见的两种 B 阳离子来说，Pb2+阳离子常常被人们所使用，但由于其毒性很大，因此对环境污染极为严重，所以科研人员们也常常会使用无毒的 Sn2+阳离子来进行代替。研究结果表明，使用两种元素混合制备的钙钛矿半导体材料的带隙可以在 1.17 eV 至 1.55 eV 之间变化；在钙钛矿材料晶体的结构中，X 通常代表位于钙钛矿晶体结构中立方体面心上的卤素阴离子，通常为 I-，Br-，C1-等。与此同时，通过替换不同种类的卤素阴离子或者混合多种卤素阴离子的方法，也可以达到调节钙钛矿材料带隙的作用，并且随着大半径离子的加入，其带隙的红移也愈加明显[25-27]。

能电池极为类似。在介孔结构中，钙钛，这样的结构使钙钛矿材料的沉积变得多制备高质量钙钛矿薄膜技术的出现之的钙钛矿太阳能电池，然而，常规的介孔构中可以充分吸收光，可能会引起较低的钙钛矿太阳能电池中电子的扩散长度时，通常会表现出较低的电荷收集效率，的钙钛矿太阳能电池来说，其主要缺点m 波长范围内光吸收较弱。此外，介孔层规模生产中所使用的衬底材料特性不兼，纯粹的介孔器件结构逐渐变得越来越构或平面异质结结构，以其更高的器件介孔结构的太阳能电池的优点是具备可结构器件中表现出来，将在下文进行详

第二章 钙钛矿太阳能电池的概述钛矿太阳能电池出现后不久，双层结构之应运而生[44]。如图 2-4 所示，在双层结一层钙钛矿覆盖层，双层结构制备的钙效率并且具备良好的迟滞特性。在这种度通常比普通的介孔钙钛矿层要更薄一器件的关键。平衡介孔层和覆盖层的厚阳能电池来说十分重要，介孔层和覆盖小的迟滞，但是这也使钙钛矿薄膜的沉

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本文编号：2768016