基于无机空穴传输层的高效钙钛矿太阳能电池性能优化研究
发布时间：2020-12-25 16:29
钙钛矿太阳能电池具有廉价高效的优异特性,备受光伏研究者关注,短短十年,它的最高转换效率就达到25.2%,与Si基太阳能电池相当。但是,器件稳定性不好限制了钙钛矿太阳能电池的商业化应用。用于该太阳能电池的有机空穴传输材料价格昂贵、稳定性差。无机空穴传输材料具有制备成本低、工艺简单、稳定性好等优点,因此,研发与钙钛矿吸收材料匹配的无机空穴传输材料是提高钙钛矿太阳能电池稳定性的重要途径之一。过去数年,已经有许多研究者对无机传输材料做了大量研究,但相应钙钛矿太阳能电池的转换效率从理论到实验上鲜有超过20%。本论文通过器件模拟的方法,采用无机空穴传输材料取代有机空穴传输材料,分别从器件结构和界面修饰两方面进行优化,获得了高效太阳能电池的器件参数,这将为以后实验制备提供重要的理论指导,对未来设计高效稳定的钙钛矿太阳能电池具有指导意义。主要研究内容和得到的结果如下:（1）设计了CH3NH3PbI3/CsSnI3全钙钛矿异质结太阳能电池。器件基本结构为FTO/TiO2/CH3
【文章来源】： 段倩倩 重庆理工大学
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
各种类型的太阳能电池发展情况
院偷缱哟?渌俾识嫉玫教嵘?３Ｓ玫慕榭撞牧鲜荰iO2，为了增加电子迁移率，TiO2材料需要高温煅烧，这增加了制备成本。为降低成本，也有研究者提出利用Al2O3、ZnO、ZrO2等材料替代TiO2[9.20-22]。正式平面结构即在介孔结构的基础上去除介孔材料，直接在基底上成膜，整个过程不需要高温煅烧，降低了制备成本。由于去除介孔结构，采用简单的一步法制备的薄膜均匀性较差，会造成大量的漏电流，所以平面结构的器件一般采用两步法和化学气相沉积法来制备。没有骨架支撑材料的影响，平面结构在制备柔性器件方面得到了很好的应用。图1.2钙钛矿太阳能电池结构（a）介观结构，（b）n-i-p平面结构，（c）p-i-n平面结构反式平面结构是在平面结构的基础上将电子传输层和空穴传输层交换位置如图1.2（c）所示，由于光进入钙钛矿层需先经过空穴传输层，所以应用于反式平面结构的空穴材料需满足带隙合适，透光性好、空穴传输能力强等特点，常见的有PEDOT:PSS、PTAA、CuI等[18-19]。反式结构的钙钛矿太阳能电池采用旋涂法，可直接在基底上旋涂空穴传输层，这避免了高温过程的引入，拓宽了它在柔性器件方面的应用。最近，无电荷传输层的钙钛矿太阳能电池也引起了人们的研究兴趣。平面结构钙钛矿太阳电池可以去掉空穴传输层或电子传输层，是因为钙钛矿材料具有双极输运特性，可以传输电子和空穴。器件去掉空穴传输层或者电子传输层后，使器件制备过程变得简单，同时也降低了制备成本。但是目前无电荷传输层的钙钛矿太阳能电池转换效率还比较低[23-25]，因为直接让钙钛矿层与电极接触，较大的能带不匹配度限制了电荷的传输，所以在未来还需要改进电极与吸收层的能带结构，来提高无电荷传输层钙钛矿太阳能电池的光电性能。
1绪论51.3.2吸收层材料钙钛矿太阳能电池吸收层通常采用的是有机-无机杂化钙钛矿材料，它不是狭义上的CaTiO3材料，而是指广义上具有ABX3型结构的化合物，其晶胞结构如图1.3所示[12.26-27]。其中A主要是有机阳离子或金属阳离子（如CH3NH3+、NHHN3+、Cs+），B是金属阳离子（如Pb2+、Sn2+），X是卤素阴离子（如Cl-、Br-、I-）。吸收层的材料类型和薄膜质量对器件转换效率起着决定性作用，有机-无机杂化钙钛矿材料因具有制备工艺简单、光电特性好、带隙合适、载流子迁移率高等优势而被广泛应用于新型太阳能电池中[28]。常见的应用于新型太阳能电池的钙钛矿材料有CH3NH3PbI3、CH3NH3PbIxBr(1-x)、CsPbI3、FAPbI3、MAxFA（1-x）PbI3等[26-29]。图1.3钙钛矿晶胞结构钙钛矿结构的化合物种类繁多，离子半径大小各不相同，为了定量的描述钙钛矿化合物结构稳定性，引入了一个参数容忍因子（t）来衡量，其表达式为[30]：)(2XBXARRRRt式（1-1）RA：A离子半径大小；RB：B离子半径大小；RX：X离子半径大校
【参考文献】：
期刊论文
[1]钙钛矿太阳能电池中TiO2材料制备及应用进展[J]. 王传坤,吴正雪,唐颖,马恒. 化工新型材料. 2020(01)
[2]Low-temperature processed inorganic hole transport layer for efficient and stable mixed Pb-Sn low-bandgap perovskite solar cells[J]. Qiaolei Han,Ying Wei,Renxing Lin,Zhimin Fang,Ke Xiao,Xin Luo,Shuai Gu,Jia Zhu,Liming Ding,Hairen Tan. Science Bulletin. 2019(19)
[3]CH3NH3PbI3-xBrx薄膜的合成及光电性能[J]. 孟晓娟,李丹丹,贾翠超,唐永福. 燕山大学学报. 2019(04)
[4]Novel hole transport layer of nickel oxide composite with carbon for high-performance perovskite solar cells[J]. Sajid,A M Elseman,纪军,窦尚轶,黄浩,崔鹏,卫东,李美成. Chinese Physics B. 2018(01)
[5]太阳辐射试验标准中的太阳光谱分布[J]. 赵立华,唐其环. 装备环境工程. 2017(12)
[6]基于模型和实验研究单晶硅太阳能电池性能参数的温度效应[J]. 刘长青,武德智,邓群英,徐正侠. 邵阳学院学报(自然科学版). 2016(02)
[7]钙钛矿太阳能电池研究进展[J]. 白宇冰,王秋莹,吕瑞涛,朱宏伟,康飞宇. 科学通报. 2016(Z1)
[8]太阳能电池研究进展[J]. 张秀清,李艳红,张超. 中国材料进展. 2014(07)
本文编号：2938010
【文章来源】： 段倩倩 重庆理工大学
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
各种类型的太阳能电池发展情况
院偷缱哟?渌俾识嫉玫教嵘?３Ｓ玫慕榭撞牧鲜荰iO2，为了增加电子迁移率，TiO2材料需要高温煅烧，这增加了制备成本。为降低成本，也有研究者提出利用Al2O3、ZnO、ZrO2等材料替代TiO2[9.20-22]。正式平面结构即在介孔结构的基础上去除介孔材料，直接在基底上成膜，整个过程不需要高温煅烧，降低了制备成本。由于去除介孔结构，采用简单的一步法制备的薄膜均匀性较差，会造成大量的漏电流，所以平面结构的器件一般采用两步法和化学气相沉积法来制备。没有骨架支撑材料的影响，平面结构在制备柔性器件方面得到了很好的应用。图1.2钙钛矿太阳能电池结构（a）介观结构，（b）n-i-p平面结构，（c）p-i-n平面结构反式平面结构是在平面结构的基础上将电子传输层和空穴传输层交换位置如图1.2（c）所示，由于光进入钙钛矿层需先经过空穴传输层，所以应用于反式平面结构的空穴材料需满足带隙合适，透光性好、空穴传输能力强等特点，常见的有PEDOT:PSS、PTAA、CuI等[18-19]。反式结构的钙钛矿太阳能电池采用旋涂法，可直接在基底上旋涂空穴传输层，这避免了高温过程的引入，拓宽了它在柔性器件方面的应用。最近，无电荷传输层的钙钛矿太阳能电池也引起了人们的研究兴趣。平面结构钙钛矿太阳电池可以去掉空穴传输层或电子传输层，是因为钙钛矿材料具有双极输运特性，可以传输电子和空穴。器件去掉空穴传输层或者电子传输层后，使器件制备过程变得简单，同时也降低了制备成本。但是目前无电荷传输层的钙钛矿太阳能电池转换效率还比较低[23-25]，因为直接让钙钛矿层与电极接触，较大的能带不匹配度限制了电荷的传输，所以在未来还需要改进电极与吸收层的能带结构，来提高无电荷传输层钙钛矿太阳能电池的光电性能。
1绪论51.3.2吸收层材料钙钛矿太阳能电池吸收层通常采用的是有机-无机杂化钙钛矿材料，它不是狭义上的CaTiO3材料，而是指广义上具有ABX3型结构的化合物，其晶胞结构如图1.3所示[12.26-27]。其中A主要是有机阳离子或金属阳离子（如CH3NH3+、NHHN3+、Cs+），B是金属阳离子（如Pb2+、Sn2+），X是卤素阴离子（如Cl-、Br-、I-）。吸收层的材料类型和薄膜质量对器件转换效率起着决定性作用，有机-无机杂化钙钛矿材料因具有制备工艺简单、光电特性好、带隙合适、载流子迁移率高等优势而被广泛应用于新型太阳能电池中[28]。常见的应用于新型太阳能电池的钙钛矿材料有CH3NH3PbI3、CH3NH3PbIxBr(1-x)、CsPbI3、FAPbI3、MAxFA（1-x）PbI3等[26-29]。图1.3钙钛矿晶胞结构钙钛矿结构的化合物种类繁多，离子半径大小各不相同，为了定量的描述钙钛矿化合物结构稳定性，引入了一个参数容忍因子（t）来衡量，其表达式为[30]：)(2XBXARRRRt式（1-1）RA：A离子半径大小；RB：B离子半径大小；RX：X离子半径大校
【参考文献】：
期刊论文
[1]钙钛矿太阳能电池中TiO2材料制备及应用进展[J]. 王传坤,吴正雪,唐颖,马恒. 化工新型材料. 2020(01)
[2]Low-temperature processed inorganic hole transport layer for efficient and stable mixed Pb-Sn low-bandgap perovskite solar cells[J]. Qiaolei Han,Ying Wei,Renxing Lin,Zhimin Fang,Ke Xiao,Xin Luo,Shuai Gu,Jia Zhu,Liming Ding,Hairen Tan. Science Bulletin. 2019(19)
[3]CH3NH3PbI3-xBrx薄膜的合成及光电性能[J]. 孟晓娟,李丹丹,贾翠超,唐永福. 燕山大学学报. 2019(04)
[4]Novel hole transport layer of nickel oxide composite with carbon for high-performance perovskite solar cells[J]. Sajid,A M Elseman,纪军,窦尚轶,黄浩,崔鹏,卫东,李美成. Chinese Physics B. 2018(01)
[5]太阳辐射试验标准中的太阳光谱分布[J]. 赵立华,唐其环. 装备环境工程. 2017(12)
[6]基于模型和实验研究单晶硅太阳能电池性能参数的温度效应[J]. 刘长青,武德智,邓群英,徐正侠. 邵阳学院学报(自然科学版). 2016(02)
[7]钙钛矿太阳能电池研究进展[J]. 白宇冰,王秋莹,吕瑞涛,朱宏伟,康飞宇. 科学通报. 2016(Z1)
[8]太阳能电池研究进展[J]. 张秀清,李艳红,张超. 中国材料进展. 2014(07)
本文编号：2938010
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