平面钙钛矿太阳电池的制备与改性

发布时间：2020-10-13 13:37

　　 全球的能源需求在过去的几十年里显著增长,将太阳能转化成电能是满足日益增长的能源需求的最有希望的途径之一,为此,研究者们制备出了多种多样的太阳电池。钙钛矿太阳电池在最近几年发展很快,在短短十年内其光电转换效率(24%)就达到了可与传统硅基太阳电池相媲美的地步,钙钛矿太阳电池优良的光电转换性能使其成为下一代太阳电池的一颗闪耀新星。其中,平面型的钙钛矿太阳电池具有高效的光电转换能力,又因其制备简单、器件优化灵活、成本低、可含多个异质结等优点受到广大科研工作者的关注。典型的平面型钙钛矿太阳电池的结构为:玻璃/透明导电氧化物/电子传输层/钙钛矿光吸收层/空穴传输层/金属电极。近年来,很多科研工作者对平面钙钛矿太阳电池的发展做出了卓越贡献,并制备出了光电转换效率超过21%的平面钙钛矿太阳电池。本文制备了以透明导电玻璃FTO(SnO_2:F)为基底,二氧化钛(TiO_2)膜为电子传输层,钙钛矿CH_3NH_3PbI_3(MAPbI_3)作为吸光层的平面型钙钛矿太阳电池,并通过改善TiO_2与MAPbI_3之间的界面来优化平面钙钛矿太阳电池的光伏性能。首先用旋涂法制备出TiO_2膜作为电池的电子传输层,然后在旋涂法制备的TiO_2膜上沉积TiO_2纳米方块作为修饰剂,沉积TiO_2纳米方块后,FTO上形成双层的TiO_2膜。TiO_2纳米方块修饰剂为高质量MAPbI_3膜的生长提供了一个更好的平台,该修饰剂还改善了TiO_2与MAPbI_3之间的界面。接着在TiO_2上旋涂氯化钠(NaCl),引入NaCl后,MAPbI_3的带隙发生改变,TiO_2与MAPbI_3的能级更加匹配,更利于电子从MAPbI_3到TiO_2的传输;与此同时,电池的光伏性能也进一步提升。本论文的主要内容如下:(1)在钙钛矿太阳电池中,电子传输层及钙钛矿光吸收层质量的高低与电池的性能紧密相关。我们利用旋涂法将钛酸四丁酯(TBT)在无水乙醇中的酸性溶液旋涂到FTO上,成功制备出了TiO_2膜,并将该TiO_2膜作为电池中的电子传输层。通过改变溶液中TBT的含量来控制TiO_2电子传输层的旋涂液的浓度,以制备出不同的TiO_2膜,随着TBT含量的增加,TiO_2膜的厚度逐渐变厚。经研究发现,当所用TBT的量为0.07 mL时,制备出的平面钙钛矿太阳电池的光电性能最优,其光电转换效率可达10.24%,相应的短路光电流密度为17.51mA cm~(-2),开路电压为0.93 V,填充因子为0.63。随后我们分别用一步旋涂法和两步旋涂法制备了钙钛矿膜,并探讨了相应电池的性能,通过测试发现,一步旋涂法更适合制备本文中以旋涂TiO_2为基底的平面钙钛矿太阳电池。(2)我们采用化学水浴沉积法将TiO_2纳米方块制备在TiO_2膜上,作为TiO_2电子传输层和MAPbI_3层之间的界面修饰剂。在FTO/TiO_2膜基底上沉积TiO_2纳米方块后,FTO基底上就形成了双层的TiO_2膜,其中上层TiO_2膜的厚度随着化学水浴过程中反应前驱物氟钛酸铵((NH_4)_2TiF_6)用量的增加而逐渐变厚。扫描电子显微镜图像以及X光衍射图谱表明在这种双层TiO_2膜上沉积的钙钛矿膜具有更高的质量,这是因为上层TiO_2纳米方块膜可以为钙钛矿的生长提供更好的平台。稳态荧光光谱、时间分辨光致发光光谱以及电化学阻抗谱的测试结果均表明TiO_2纳米方块可以有效抑制TiO_2与MAPbI_3界面处的电荷复合。当所用(NH_4)_2TiF_6为1 mM时,相应平面钙钛矿太阳电池的光电性能最优。用TiO_2纳米方块修饰剂修饰后,器件的开路电压从0.93 V提升到了1.02 V,并且获得了13.40%的光电转换效率,是未用TiO_2纳米方块修饰剂器件的转换效率的1.3倍。(3)在TiO_2上旋涂NaCl可以调控MAPbI_3层的带隙,使得TiO_2和MAPbI_3的能带更为匹配,并且可以提高器件的光伏性能和稳定性。X射线光电子能谱测试结果显示,NaCl均匀地涂覆在了TiO_2上。此外,MAPbI_3层的带隙随着NaCl溶液浓度的变化而改变,随着NaCl溶液浓度的增加,MAPbI_3的带隙逐渐变宽,说明NaCl可以调控MAPbI_3的带隙。由于NaCl的引入,钙钛矿的晶粒尺寸变大,晶格参数也发生改变。通过改变旋涂的NaCl溶液的浓度,我们发现,当旋涂在TiO_2层上的NaCl浓度为0.2 mM/mL时,TiO_2层和MAPbI_3层的能带匹配更好,器件的光伏性能也最优,其短路电流密度为20.50 mA cm~(-2),开路电压为1.06 V,填充因子为0.70,相应的光电转换效率为15.58%,与未旋涂NaCl器件的光电转换效率相比提高了15%。与此同时,电池的迟滞效应减弱,说明NaCl提升了器件的光伏性能。在黑暗、室温、湿度低于15%的环境中,1400小时后电池的光电转换效率仍保持其原始效率的80%。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM914.4
【部分图文】：

1.2 从（a）a 轴、（b）b 轴、（c）c 轴方向观察到的四方相 CH3NH3Pb的结构示意图。.2.3.2 钙钛矿膜的制备截止到目前，科研工作者们已探索出多种制备钙钛矿膜的方法，常用的方法如下：

1.2 从（a）a 轴、（b）b 轴、（c）c 轴方向观察到的四方相 CH3NH3的结构示意图。2.3.2 钙钛矿膜的制备截止到目前，科研工作者们已探索出多种制备钙钛矿膜的方法，常用的方法如下：

吉林大学博士学位论文法，该方法在制备钙钛矿膜中应用较多，分为一步图 1.3）。一步旋涂法是将钙钛矿的反应前驱物如碘NH3I）等一起溶入 N,N-二甲基乙酰胺（DMA）、N二甲基亚砜（DMSO）等溶剂中制成前驱液，然后]。两步旋涂法是将反应前驱物 PbI2以及 CH3NH3I 分将两种反应前驱液依次旋涂到基片上[39]。旋涂法制备钙钛矿膜的过程中，为了制备出高质量常用反溶剂来辅助结晶。反溶剂的用法一般为：在反溶剂滴加在基底上。用该方法制备的钙钛矿膜在率，且具有纯净和稳定的晶相，相应器件的光伏性实验过程中用到的反溶剂有：氯苯，异丙醇，甲苯
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本文编号：2839240