基于光转换和结构优化的钙钛矿太阳能电池的研究

发布时间：2020-08-19 15:55

【摘要】：伴随着社会的高速发展和科技的飞速进步,人类对于能源的消耗与日俱增,进而对能源的需求也日渐迫切。因此,寻求可再生的、对环境友好的新型清洁能源已经迫在眉睫。太阳能作为世界上最丰富的清洁能源,其取之不尽的特点完全可以满足全球范围内日益增长的能源需求。而基于光生伏特效应的太阳能电池是利用太阳能非常有效的一种方式,也成为该领域的研究热点。近几年,一种新型的基于有机-无机杂化钙钛矿材料的太阳能电池异军突起,其光电转换效率突飞猛进,从2009年的3.8%已经提升到了如今的23%以上,已经能够与商业用的硅基太阳能电池相媲美。由于其展现出如此优异的性能,钙钛矿太阳能电池也被认为很有希望在未来取代目前的硅基电池,成为太阳能电池市场的主力军。虽然钙钛矿太阳能电池的前景非常好,但是它的稳定性问题仍然制约着其向商业化的进程。因此,本论文主要围绕钙钛矿太阳能电池的稳定性问题进行了如下的研究:第一,TiO_2作为钙钛矿电池中广泛使用的电子传输材料,在长时间的紫外光照射后,其表面的氧空位很容易从钙钛矿材料中的I~-离子捕获电子,使得钙钛矿薄膜发生分解,从而导致器件的性能下降。荧光碳点作为碳纳米材料中的新成员,具有可调的光学性能,优异的电学性能,尤其在紫外区域具有很强的吸收并且能够转换为蓝光。我们通过在介孔TiO_2中引入荧光碳点,有效地将紫外光转换为蓝光,被后面的钙钛矿层吸收,既缓解了钙钛矿太阳能电池的光照稳定性问题,又提升了器件的光电转换效率。通过对引入的荧光碳点浓度的优化,最终钙钛矿太阳能电池的光电转换效率从14.6%提升到16.4%。同时,经过12个小时的全光谱照射后,引入荧光碳点的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率仍可以维持近70%的初始效率,而没有引入荧光碳点的器件只能保持20%的初始效率。这一结果证明,将理想的下转换发光材料引入到钙钛矿太阳能电池中是提高器件光伏性能和光照稳定性的一种很有前途的方法。第二,除了荧光碳点之外,下转换荧光材料YVO_4:Eu~(3+),Bi~(3+)在220纳米到350纳米这一紫外区域也有着很强的吸收,同时能够将其转换成红光,与钙钛矿层的吸收范围相匹配。我们将YVO_4:Eu~(3+),Bi~(3+)掺入到介孔TiO_2之中,通过YVO_4:Eu~(3+),Bi~(3+)的荧光下转换过程,有效抑制了紫外光对于钙钛矿薄膜的破坏,同时提高了太阳光的利用率。通过对YVO_4:Eu~(3+),Bi~(3+)掺杂浓度的调控,制备出了光电转换效率为17.9%的器件,相比于参比器件,其光电转换效率提高了9.8%。此外,器件在60个小时的连续紫外光照射下,其光电转换效率仍能保持初始效率的70%,这要比没有掺入YVO_4:Eu~(3+),Bi~(3+)的器件提升了很多。第三,钙钛矿薄膜质量的高低对于器件的稳定性与性能也起到至关重要的影响。我们通过在钙钛矿前驱体溶液中引入氯化锌来提升钙钛矿薄膜的质量,并且系统的研究了氯化锌的掺杂对于钙钛矿薄膜的结构,光学性质以及器件的性能的影响。通过优化氯化锌的掺杂浓度,我们制备出了具有大尺寸晶粒并且形貌更优的钙钛矿薄膜,基于此的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率从16.4%提升到了18.2%。更重要的是,相比于没有掺杂氯化锌的器件而言,钙钛矿太阳能电池在氯化锌掺杂之后表现出更好的稳定性,在放置30天之后,其光电转换效率仅仅下降了7%左右。因此,我们认为在钙钛矿薄膜中引入合适的添加剂来控制形貌,可以有效地提升钙钛矿太阳能电池的稳定性和光电转换效率。第四,我们利用电子束蒸发的方式,制备了Ce掺杂的TiO_2作为钙钛矿太阳能电池的电子传输层,由于Ce离子的掺杂,提升了电子从钙钛矿层向TiO_2层的迁移能力。基于此的钙钛矿器件的光电转换效率从17.98%提升到了19.36%。此外,为了提升器件的光照稳定性,我们又在器件的入射光一侧覆盖了钙钛矿量子点,由于钙钛矿量子点在紫外区域具有很强的吸收,通过荧光下转换过程转换为绿光。因此降低了紫外光对于器件的影响。通过优化旋涂次数,器件的光电转换效率进一步提升到20.02%,同时光照稳定性也有着大幅度的提升,在连续100个小时的紫外光照射后,器件的效率仍能维持初始效率的80%以上。此外,利用Al_2O_3对于器件进行外部封装,大幅度提升了器件的长时稳定性,在放置1000个小时后,器件的光电转换效率仅仅下降了2%。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM914.4
【图文】：

统计图,太阳能电池,光电转换效率,发展阶段

1.1 太阳能电池伴随着社会的高速发展和科技的飞速进步，人类对于能源消耗与日俱增，进而对能源的需求也日渐迫切。近几十年来，以煤炭，石油等为主的不可再生的传统化石能源被广泛的应用于人们的生产生活之中，人们在享受科技生活的同时，随之衍生的能源危机以及环境污染等问题，越来越受到人们的重视。因此，寻求可再生的、对环境友好的新型清洁能源已经迫在眉睫。继而，以利用水能、风能、地热能、潮汐能、太阳能等新型清洁能源的探索与开发的装置和器件应运而生。这其中，太阳能作为世界上最丰富的清洁能源，其取之不尽的特点完全可以满足全球范围内日益增长的能源需求，因而基于以太阳能为能源转换的装置备受关注。而作为将太阳能有效利用的一种重要手段，制备基于光生伏特效应的太阳能电池，也成为该领域的研究热点。

钙钛矿,晶体结构

钙钛矿材料简介钙钛矿(perovskite)这种材料最早是在 1839 年由科学家 Rose 在俄罗山的矽卡岩中发现，后以俄罗斯地质学家 Perovskite 的名字命名，为 CaTiO3[13]。一般狭义的钙钛矿指的就是这种矿物质本身，而广义上所说的钙钛具有钙钛矿结构类型的 ABX3型化合物，其结构如图 1.2 所示，其中离子占据正方体的八个顶点 (0，0，0)，B 位的阳离子位于正方体(1/2，1/2，1/2)，X 位的阴离子占据六面体的面心位置(1/2，1/2，矿结构一个很重要的特点就是半径大小相差很大的离子也能够稳定一结构内。这就导致了在 A，B 和 X 位能够选取的元素种类和数量这也导致具有钙钛矿型结构的化合物的种类十分广泛。

太阳能电池,钙钛矿

是在分子尺度的复合，因此能够将有机结合起来。例如最常见的 CH3NH3PbI3这种材料，收带边为 800 纳米，可以吸收整个可见光内的光子cm)。除此之外，这种材料还具有良好的双极性载输电子和空穴[14-18]。因此，有机-无机杂化钙钛矿材作为吸光层被使用，而基于这种材料的太阳能电池太阳能电池的组成部分阳能电池的基本组成如图 1.3 所示，由下到上分别TO 电极，电子传输层(ETMs)，钙钛矿吸光层(PerTMs)以及背电极(Metal electrode)。

【参考文献】