钙钛矿太阳电池关键材料研究

发布时间：2020-10-17 06:48

　　 太阳电池性能的改善一般得益于工艺及电池结构的改进,但归根结底在于各种新材料的广泛应用。钙钛矿太阳电池仍旧面临稳定性差、成本高、以及效率进一步提升等问题。面向未来发展,提高电池性能的根本途径仍旧是材料问题。必须有针对性地进行高效、高稳定材料的设计,从材料可控合成、器件制备到机理研究等方面着手展开工作。因此,本文主要针对钙钛矿太阳电池中的电子传输层、钙钛矿层开展了研究。目的在于通过基于一维纳米线阵列结构电子传输层、混合铅源制备钙钛矿层以及卤素掺杂钙钛矿薄膜的钙钛矿太阳电池研究,揭示影响太阳电池性能的关键因素,并寻求提高钙钛矿太阳电池光电转换效率的前提下降低器件成本的有效手段。开展了具有一维Ti02纳米线阵列结构的电子传输层研究。一维Ti02纳米线薄膜由于具有可为光生电子提供直接的电子传输通道、电子传输速率高等优点而被广泛的应用于光电子器件。然而,一维纳米线水热生长过程中极易产生团簇,影响钙钛矿薄膜的渗透,而且Ti02纳米线表面缺陷较多,不利于钙钛矿薄膜沉积。本研究首先利用水热法制备出排列均匀的Ti02纳米线薄膜,重点研究了异丙醇钛(TIP)的浓度及生长时间等参数对其形貌的影响规律,并对薄膜的生长机理和影响机制进行了探讨。在此基础上,利用水热刻蚀、锻烧处理等方法对Ti02纳米线阵列的团簇、表面状态进行改善,得到了多孔一维Ti02纳米线阵列,并阐明了纳米线表面多孔的形成机制。将该薄膜用于钙钛矿太阳电池的电子传输层,由于钙钛矿薄膜成膜质量不佳,仅得到2.24%的光电转换效率,未得到优于基于介孔TiO2纳米晶钙钛矿太阳电池的性能表现。利用无卤素铅源改善了钙钛矿薄膜的成膜质量。在目前的研究屮,PbI2是制备CH3NH3Pb13薄膜常用铅源,使用 Pb(CH3COO)2可以增加钙钛矿薄膜的牛.长速度,进而对薄膜形貌进行调控。由于两步法制备CH3NH3PbI3薄膜通常由CH3NH3Pb13颗粒堆积而成,颗粒间孔隙会导致电子传输层直接触。本研究通过使用Pb(CH3COO)2和PbI2复合铅源以望改善两步法制备钙钛矿薄膜覆盖性较低问题。通过采用Pb(CH3COO)2和Pbl2 复介铅源,揭示了铅源对CH3NH3PbI3薄膜的结晶状况、形貌、光吸收特性以及钙钛矿太阳电池光电性能的影响规律,并进一步探讨电池内部载流子转移特性。研究发现,Pb(CH3COO)2可有效地改善两步法制备钙钛矿薄膜覆盖性差的问题,通过改变Pb(CH3COO)2的浓度还实现了对介孔Ti02/CH3NH3PbI3的Pbl2残余量的有效调控。结果表明,适量的Pbl2残余一方面可钝化介孔Ti02表面存在的大量缺陷,保证光生电子的高效传输;另一方面由于Pbl2导带位置高于CH3NH3PbI3导带,可有效减少载流子复合。采用两步法制备钙钛矿太阳电池中实现了 15%的效率提高;此外,在一步反溶剂法制备钙钛矿太阳电池中,也获得了平均光电转换效率10%的提高(从13.6%到15.0%),器件的开路电压获得了大约70 mV的提高。采用低压气相辅助溶液法制备卤素掺杂的钙钛矿电池。低压气相辅助溶液法对于批量制备表面致密、平整、无针孔的钙钛矿薄膜十分有效。该薄膜在平板钙钛矿太阳电池中展现出优异的光电转换性能。采用Pbl2为铅源,本研究首先分别使用纯CH3NH3Cl/CH3NH3Br进行卤素掺杂钙钛矿薄膜的制备。重点研究了反应温度对钙钛矿薄膜的晶体结构、表面形貌、光吸收特性以及钙钛矿太阳电池光电性能的影响规律。进而分别使用CH3NH3C1:CH3NH3I、CH3NH3Br:CH3NH3I混合胺盐进行钙钛矿薄膜制备,研究CH3NH3Cl/CH3NH3Br含量对钙钛矿薄膜晶体结构、表面形貌、光吸收特性以及钙钛矿太阳电池光电性能的影响规律。研究结果表明,使用含CH3NH3C1胺盐时,得到CH3NH3PbCl3:CH3NH3PbI3两相混合的钙钛矿;而使用CH3NH3Br胺盐时得到具有不同Br掺杂量的CH3NH3PbBr3-xIx。通过胺盐调控可实现CH3NH3PbI3薄膜中卤素掺杂量的控制,获得薄膜均匀性和结晶性优异的钙钛矿薄膜,薄膜具有可调节的可见光吸收特性和多样化的电池性能表现。其中,CH3NH3Pbl3-xCld薄膜荧光发光寿命长于CH3NH3PbBr3-xIx薄膜,基于CH3NH3PbI3-xClx的钙钛矿太阳电池效率普遍高于基于CH3NH3PbBr3-xIx电池。在使用15wt%CH3NH3C1:CH3NH3I制备钙钛矿薄膜中,获得基于CH3NH3PbI3-xClx(x≈0)薄膜最高效率达到17.3%的器件,比纯CH3NH3PbI3薄膜钙钛矿太阳电池效率提高了 21%。同时,器件稳定性研究表明,在AM 1.5G持续光照下,基于CH3NH3PbBr3-xIx薄膜钙钛矿太阳电池具有更优异的稳定性表现。采用低压气相辅助溶液法制备CH3NH3PbCl3薄膜。以Pbl2为铅源制备出平整、致密且无针孔的高质量CH3NH3PbCl3薄膜,薄膜晶粒平均大小约1.5m。该方法解决了溶液法制备CH3NH3PbCl3薄膜时PbC12溶解度低、气相蒸镀PbCl2薄膜污染严重的问题。在气相反应过程中,由Pbl2引入的I元素被CH3NH3Cl中的Cl元素逐步取代,最终可获得纯相的CH3NH3PbCl3薄膜。基于该薄膜的光电探测器在2 mW/cm2辐照下获得297 μA/W的最优响应度。
【学位单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM914.4
【部分图文】：

新型太阳电池是继硅基、砷化镓、碲化镉以及铜铟镓硒太阳电池之后，因制??备工艺简单、成本低廉、相对高效而受到广泛关注的新一代太阳电池。其主要包??括五种太阳电池（如图１－１）：染料敏化太阳电池（ＤＳＳＣｓ）、钙钛矿太阳电池（ＰＳＣｓ）、??有机太阳电池（ＯＰＶ）、铜锌锡硫硒（ＣＺＴＳＳｅ）以及量子点太阳电池等。其中，ＰＳＣｓ??的光电转换效率发展最为迅速，短短几年间，效率从３．８％发展到２２．７％，其效??率在无聚光装置的薄膜太阳电池中仅次于ＧａＡｓ太阳屯池ＨＩ??Ｂｅｓｔ?Ｒｅｓｅａｒｃｈ－Ｃｅｌｌ?Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓ?ＨＮＲ．ＥＬ??５２１??１??ＵｕＲｉｆｕｎｃｔｉｏｎ?Ｍｋ?ｒ？－ｉａｒｍ？ａｌ．?ｍｏｎｏＭｔａｃ）?ＴＷｏ＾ｔｈｎ?Ｔｅｃｈ？ｃｔ〇ｇ４？?．１！＾．?，?＾??■Ｗｍ？Ｍ?？?〇＜ｎ＊?Ｊｕｎａｅｎ?１?？?Ｎ?．??Ｖ?ｌＭＭｉｔｆ＜ｅａ〇ｎ｜ｃ〇ｒｃ？？Ｈｃ〇?Ｏ?ＡｍＮｍａｕ＆ｉｌｄＵＭＭａｉ?ＳＫＸｌｎ）？？?Ｆ－Ｍｒ＊＊－＇，＇?ｎ；?ｂｅｍｅｗ－ｃ＊－?＾?＾?？??４４?－?▼?ＴＭＭ－ｗ＾ｌｎＭ?ＣＣ＾ＭｌｎＭａｒｉ?Ｅｍ？ｖｎｇＰＶ?（ＶＷ?２Ｓ９．?ＷＭ?４Ｍｉ）?ＭＫ??娜??３？－??承?ｆ?严功加咖?．２１６．．?Ｈ＾＇?；－：；：?ＭＯＭＨ?ＬＣａｅ＊？ｏ??ｉ：：－－－－－??０?Ｉ?ｆ＞？?Ｉ?ｆ?ｉ?Ｉ?ｉ?

Ｄ．?Ｂ．?Ｍｉｔｚｉ等人最初将有机－无机杂化含卤素钙钛矿薄膜应到薄膜场效应??晶体管，表现出优异的响应性能，而引起研究人员对该种材料在光电领域的研究??兴趣｜８１。图１－３为常用钱钛矿半导体材料的能带结构示意图，其中大部分材料的??带隙均在】．４?ｅＶ左右，满足太阳电池理想吸光材料的带隙要求［９１。高效ＰＳＣｓ屮??常用的ＭＡＰｂｈ在室温下，其晶体有四方（Ｐ相）和斜方两种晶型，温度高于３３０?Ｋ??时发生可逆相变，转变为准立方晶型（ａ相）｜１（）］。ＭＡＰｂｈ为直接带隙半导体，禁带??宽度为丨．５８?ｅＶ，电导率为１０－３＿?Ｓ／ｍ３，载流子迁移率为５０?ｃｍ２／（Ｖ＿ｓ），光吸收系数??高达１〇５，消光系数较高，几百纳米厚ＭＡＰｂＩ３薄膜就可以充分吸收波长小于８００??ｒｎｎ的光辐射，对蓝光和绿光的吸收明显优于硅电池｜ｎ｜。??－２?－??；ＭＡＰｂＢｒ３??－３」?ＭＡＰｂＵ??－－３．３８?３?ＦＡＰｂＬ?ＭＡＣ?．??３?ＭＡＳｎｌ３??Ｏ?；?－３．８８?－３．９２??ｊ?－４：?ｍｍ?ｊ２４?，４４４??＞

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本文编号：2844443