大气环境ZnO基钙钛矿太阳能电池制备及性能研究
发布时间：2021-01-11 08:15
钙钛矿太阳能电池以其高效、低成本和适合柔性器件组装等特点被认为是未来最具潜力的光伏器件之一,其最新的认证效率已达到23.7%,几乎可以媲美商用硅太阳能电池。但是,目前大部分高效钙钛矿太阳能电池都采用高温热处理纳米TiO2为电子传输层。高温退火过程不仅会增加制造成本,而且不适用于柔性钙钛矿太阳能电池的制备。与TiO2相比,ZnO除了具有与其相似的能带位置和物理性质外,还具有更高的电子迁移速率,而且可采用多种低温技术获得高结晶度薄膜。作为电子传输层,ZnO是TiO2的理想替代材料之一。然而,在ZnO层上通常很难实现热稳定钙钛矿薄膜的沉积,以致于ZnO基钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性仍旧保持在相对较低的水平。此外,为了保证效率,大部分器件的组装和测试过程都在手套箱中完成,这阻碍了钙钛矿太阳能电池的商业化。因此,实现大气环境中高效和环境稳定的ZnO基钙钛矿太阳能电池的制备仍然颇具挑战。有鉴于此,本研究提出了ZnO层的室温陈化策略,同时进一步通过工艺优化、Au纳米棒（Au NRs）及十六烷基三甲基溴化铵（CTABr）的修饰,有效地...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：155 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
NREL认证的最新的太阳能电池效率图
1.2 钙钛矿太阳能电池的基本结构钙钛矿太阳能电池主要分为介孔型和平面型结构[31]。介孔型钙钛矿太阳能电池多采用 n 型介孔 TiO2作为电子传输层材料，如图 1-2a 所示。介孔型钙钛矿太阳能电池可以得到较高的光电转化效率，但理想介孔结构的形成往往需要高温退火才能获得。这样不仅增加了生产成本，而且不宜在柔性基底上构建钙钛矿太阳能电池。平面型钙钛矿太阳能电池主要由钙钛矿光吸收层、电子传输层、空穴传输层、工作电极等构成，根据电子传输层和空穴传输层的沉积顺序可分为正装结构和倒装结构[32, 33]。正装结构平面型钙钛矿太阳能电池如图 1-2b所示，其制备过程是首先在导电玻璃基底上旋涂电子传输层，然后是钙钛矿光吸收层，之后依次旋涂空穴传输层和对电极。而倒装结构平面型钙钛矿太阳能电池则如图 1-2c 所示，它的制备过程与正装结构相反，依次在导电玻璃基底上旋涂空穴传输层、光吸收层、电子传输层和对电极[34]。倒装结构平面型钙钛矿太阳能电池无需经过高温处理，且适合柔性基底，同时迟滞效应较小，但所得钙钛矿太阳能电池器件的效率相对较低[35]。正装结构平面型钙钛矿太阳能电池可以获得较高的光电效率，但其稳定性、迟滞效应等问题还需要进一步完善。
材料统称为钙钛矿。如图 1-3a 所示，应用于钙钛矿太阳能电池的有机-无机杂化钙钛矿分子中，A 代表一价有机阳离子 CH3NH3+(MA+)或 HC(NH2)2+(FA+)，B代表 Pb2+或 Sn2+等二价金属阳离子，X 代表 Cl-、Br-或 I-卤素阴离子。A+与 12个 X-配位形成立方八面体结构，B 阳离子与 6 个 X-配位形成正八面体结构[37,38]。目前，研究最为广泛的有机-无机杂化钙钛矿包括甲胺碘化铅（MAPbI3）、卤素混合的钙钛矿（MAPbI3 xClx和 MAPbI3 xBrx）及甲脒碘化铅（NH2CHNH2PbI3,FAPbI3）[39, 40]。钙钛矿晶体结构的稳定性可以根据容忍因子 t 和八面体因子 μ 来进行推测。t 的值可以根据公式 1-1 计算得到： = + √2( + )（1-1）其中，rA、rB和 rX分别为 A、B 和 X 离子的有效离子半径[41]。而 μ 为 rB和 rX的比值。一般地，对于卤化物钙钛矿材料 0.81 < t < 1.11 而 0.44 < μ < 0.90[42]。如果 t 值位于较窄范围（0.89-1.0）时，可得到如图 1-3a 所示的立方结构。t 的值越小，四方或者正交结构的对称性越差。常用有机-无机卤素钙钛矿的 t 和 μ值如图 1-3b 所示[37]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]MgO/α-Al2O3单晶衬底上磁控溅射Pt外延薄膜微结构观测分析[J]. 张祎杨,朱华星,姬洪,王瑞雪,张婷,李鲁涛,邱晓燕. 科学通报. 2016(09)
[2]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)
[3]ABX3型钙钛矿光伏材料的结构与性质调控[J]. 陆新荣,赵颖,刘建,李承辉,游效曾. 无机化学学报. 2015(09)
[4]钙钛矿太阳能电池技术发展历史与现状[J]. 赵雨,李惠,关雷雷,吴嘉达,许宁. 材料导报. 2015(11)
[5]钙钛矿太阳电池研究进展:薄膜形貌控制与界面工程[J]. 薛启帆,孙辰,胡志诚,黄飞,叶轩立,曹镛. 化学学报. 2015(03)
[6]钙钛矿太阳能电池中电子传输材料的研究进展[J]. 丁雄傑,倪露,马圣博,马英壮,肖立新,陈志坚. 物理学报. 2015(03)
[7]钙钛矿太阳能电池:光伏领域的新希望[J]. 魏静,赵清,李恒,施成龙,田建军,曹国忠,俞大鹏. 中国科学:技术科学. 2014(08)
[8]全球太阳能电池专利发展状况研究[J]. 罗天雨. 竞争情报. 2010(04)
[9]棒状金纳米粒子的制备及其光谱特性[J]. 王平波,宋玉哲,杜雪岩,刘国汉. 稀有金属材料与工程. 2010(09)
[10]ZnO薄膜的XPS价带谱研究[J]. 李万程,杜国同,杨小天,刘博阳,张源涛,赵佰军,姜秀英. 高等学校化学学报. 2004(11)
本文编号：2970416
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：155 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
NREL认证的最新的太阳能电池效率图
1.2 钙钛矿太阳能电池的基本结构钙钛矿太阳能电池主要分为介孔型和平面型结构[31]。介孔型钙钛矿太阳能电池多采用 n 型介孔 TiO2作为电子传输层材料，如图 1-2a 所示。介孔型钙钛矿太阳能电池可以得到较高的光电转化效率，但理想介孔结构的形成往往需要高温退火才能获得。这样不仅增加了生产成本，而且不宜在柔性基底上构建钙钛矿太阳能电池。平面型钙钛矿太阳能电池主要由钙钛矿光吸收层、电子传输层、空穴传输层、工作电极等构成，根据电子传输层和空穴传输层的沉积顺序可分为正装结构和倒装结构[32, 33]。正装结构平面型钙钛矿太阳能电池如图 1-2b所示，其制备过程是首先在导电玻璃基底上旋涂电子传输层，然后是钙钛矿光吸收层，之后依次旋涂空穴传输层和对电极。而倒装结构平面型钙钛矿太阳能电池则如图 1-2c 所示，它的制备过程与正装结构相反，依次在导电玻璃基底上旋涂空穴传输层、光吸收层、电子传输层和对电极[34]。倒装结构平面型钙钛矿太阳能电池无需经过高温处理，且适合柔性基底，同时迟滞效应较小，但所得钙钛矿太阳能电池器件的效率相对较低[35]。正装结构平面型钙钛矿太阳能电池可以获得较高的光电效率，但其稳定性、迟滞效应等问题还需要进一步完善。
材料统称为钙钛矿。如图 1-3a 所示，应用于钙钛矿太阳能电池的有机-无机杂化钙钛矿分子中，A 代表一价有机阳离子 CH3NH3+(MA+)或 HC(NH2)2+(FA+)，B代表 Pb2+或 Sn2+等二价金属阳离子，X 代表 Cl-、Br-或 I-卤素阴离子。A+与 12个 X-配位形成立方八面体结构，B 阳离子与 6 个 X-配位形成正八面体结构[37,38]。目前，研究最为广泛的有机-无机杂化钙钛矿包括甲胺碘化铅（MAPbI3）、卤素混合的钙钛矿（MAPbI3 xClx和 MAPbI3 xBrx）及甲脒碘化铅（NH2CHNH2PbI3,FAPbI3）[39, 40]。钙钛矿晶体结构的稳定性可以根据容忍因子 t 和八面体因子 μ 来进行推测。t 的值可以根据公式 1-1 计算得到： = + √2( + )（1-1）其中，rA、rB和 rX分别为 A、B 和 X 离子的有效离子半径[41]。而 μ 为 rB和 rX的比值。一般地，对于卤化物钙钛矿材料 0.81 < t < 1.11 而 0.44 < μ < 0.90[42]。如果 t 值位于较窄范围（0.89-1.0）时，可得到如图 1-3a 所示的立方结构。t 的值越小，四方或者正交结构的对称性越差。常用有机-无机卤素钙钛矿的 t 和 μ值如图 1-3b 所示[37]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]MgO/α-Al2O3单晶衬底上磁控溅射Pt外延薄膜微结构观测分析[J]. 张祎杨,朱华星,姬洪,王瑞雪,张婷,李鲁涛,邱晓燕. 科学通报. 2016(09)
[2]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)
[3]ABX3型钙钛矿光伏材料的结构与性质调控[J]. 陆新荣,赵颖,刘建,李承辉,游效曾. 无机化学学报. 2015(09)
[4]钙钛矿太阳能电池技术发展历史与现状[J]. 赵雨,李惠,关雷雷,吴嘉达,许宁. 材料导报. 2015(11)
[5]钙钛矿太阳电池研究进展:薄膜形貌控制与界面工程[J]. 薛启帆,孙辰,胡志诚,黄飞,叶轩立,曹镛. 化学学报. 2015(03)
[6]钙钛矿太阳能电池中电子传输材料的研究进展[J]. 丁雄傑,倪露,马圣博,马英壮,肖立新,陈志坚. 物理学报. 2015(03)
[7]钙钛矿太阳能电池:光伏领域的新希望[J]. 魏静,赵清,李恒,施成龙,田建军,曹国忠,俞大鹏. 中国科学:技术科学. 2014(08)
[8]全球太阳能电池专利发展状况研究[J]. 罗天雨. 竞争情报. 2010(04)
[9]棒状金纳米粒子的制备及其光谱特性[J]. 王平波,宋玉哲,杜雪岩,刘国汉. 稀有金属材料与工程. 2010(09)
[10]ZnO薄膜的XPS价带谱研究[J]. 李万程,杜国同,杨小天,刘博阳,张源涛,赵佰军,姜秀英. 高等学校化学学报. 2004(11)
本文编号：2970416
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