基于ZnO钙钛矿太阳能电池制备与性能的研究
发布时间：2021-03-02 08:16
近几年,有机无机杂化钙钛矿太阳能电池（Perovskite solar cells,PSCs）得到飞速的发展,主要得益于有机无机杂化钙钛矿材料优异的光电性能。在短短的十几年时间内,其光电转换效率（Photoel ectri c conver si on efficiency,PCE）从2009年的3.8%,到现在达到了 25.2%。PSCs通常采用由FTO导电玻璃、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层、金属电极叠加一起形成层状结构。而电子传输层在其中起到非常重要的作用,主要用来传输电子,并防止电子与空穴发生复合造成电流损失。最开始是使用TiO2作为电子传输层,但是由于ZnO具有比TiO2高的电子迁移率和透光率,因而得到科学家的广泛关注。本文主要研究了基于ZnO作为电子传输层的PSCs,并采用了 SEM、AFM、PL等手段对电池进行了表征,测试了不同实验条件下电池的光电性能。主要的实验内容和结果如下:（1）采用溶胶-凝胶法制备了 ZnO薄膜,并将其作为PSCs的电子传输层,研究了 ZnO薄膜的制备工艺以及钙钛矿层的退火温度对PSCs性能的影响。首先,制备了不同浓度的ZnO前驱体溶液,探究不同...
【文章来源】：景德镇陶瓷大学江西省
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
钙钛矿材料的晶体结构
景德镇陶瓷大学硕士学位论文2文献综述42rrrrXXAB）（）（（2-2）或如公式（2-3）所示:trr2rrXXAB）（）（(2-3)其中，rA为A离子或离子基团的离子半径，rB为B离子的半径，rX为阴离子的半径。当容忍因子的值在0.9-1的范围内，比较容易形成立方晶系的钙钛矿结构。然而，当容忍因子大于1时，也就是相当于，尺寸较大的A离子与尺寸较少的B离子相结合时，会优先形成六方晶系的晶体结构。当容忍因子在0.71-0.9范围内时，钙钛矿中的八面体的结构框架会发生扭曲形成了对称性较差的类似八面体配位的多面体结构。随着容忍因子t的数值继续减少，A离子与B离子的尺寸的差别会逐渐地变小，此时材料的结构就会变成类似于FeTiO3、α-Mn2O3或者C型稀土化合物的结构如：Ln2O3[29]。2.3钙钛矿太阳能电池的结构钙钛矿太阳能电池的结构大致分为两种结构，一种是平面异质结构，另一种是介观结构。通常，钙钛矿太阳能电池一般包括五个部分如图2-2所示：导电玻璃（FTO、ITO）、电子传输层（ZnO、TiO2、SnO2）、钙钛矿层（MAPbI3）、空穴传输层（Spiro--OMeTAD）、金属电极（Au、Ag）。图2-2钙钛矿太阳能电池结构示意图Fig.2-2SchematicillustrationofthePSCs介孔结构的器件相比于平面异质结构的器件就是在电子传输层与钙钛矿层之间多了一层介孔支架结构，这种支架结构使用的介孔颗粒膜材料，由于其位于电子传输层与钙钛矿层之间，一般选用TiO2和ZnO作为介孔层，因为其导带底略低于钙钛矿层材料的导带底，从而使钙钛矿导带中的光生电子可以注入这些材
瓷大学硕士学位论文2文献综述770℃以上的温度就会破坏其分子结构，从而影响器件的热稳定性。而且，Spiro-OMeTAD本身的导电能力非常差，一般需要通过掺杂来提高其传输空穴的能力：一般选用Li-TFSI和TBP（4-tert-Butylpyridine）来进行掺杂[58-59]。但是，Li盐对水特别敏感，遇水非常容易潮解，Li盐吸水后非常容易破坏钙钛矿层，使钙钛矿发生分解[60]。另外，由于TBP能溶解PbI2，也会导致钙钛矿层发生分解。同时，Spiro-OMeTAD合成工艺非常复杂，价格非常昂贵等缺点，所以需要寻找其它的空穴传输材料来替代Spiro-OMeTAD。图2-3spiro-OMeTAD结构示意图Fig.2-3SchematicillustrationofSpiro-OMeTAD随后，研究者提出了多种无机物作为空穴传输材料：NiOX、CuI、CuSCN等材料。NiOX是一种P型半导体材料，但是其导电性能比较差。Chen[61]课题组采用Mg-Li材料来掺杂NiOX，从而提高其导电性。以此来作为空穴传输层，并且制备出了反式结构的钙钛矿太阳能电池，器件的效率达到了16.5%。并且器件的稳定性也得到提高，在7天后器件的效率仍然保持在90%以上。Zhao课题组[62]采用NiO来代替Spiro-OMeTAD，选用PCBM作为电子传输层，制备了反式结构的钙钛矿太阳能电池。结果表明，反式结构的器件的热稳定性明显得到提升，经过80次的循环加热后（每次：85℃加热2h；冷却2h），器件的效率仍能保持在初始效率的74%以上；而使用Spiro-OMeTAD的器件在经过10次循环以后，器件的效率下降到5%以下。Christians[63]课题组采用CuI和CuSCN作为空穴传输层材料，其实验结果表明CuI的导电性比Spiro-OMeTAD更优越，可以更好地改善器件的填充因子,PCE为6%；而CuSCN材料的空穴传输速率为0.01-0.1cm2V/S，远远高于Spiro-OMeTAD的空穴传输速率，从而能大大的提高器件的短路电流，器件
本文编号：3058942
【文章来源】：景德镇陶瓷大学江西省
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
钙钛矿材料的晶体结构
景德镇陶瓷大学硕士学位论文2文献综述42rrrrXXAB）（）（（2-2）或如公式（2-3）所示:trr2rrXXAB）（）（(2-3)其中，rA为A离子或离子基团的离子半径，rB为B离子的半径，rX为阴离子的半径。当容忍因子的值在0.9-1的范围内，比较容易形成立方晶系的钙钛矿结构。然而，当容忍因子大于1时，也就是相当于，尺寸较大的A离子与尺寸较少的B离子相结合时，会优先形成六方晶系的晶体结构。当容忍因子在0.71-0.9范围内时，钙钛矿中的八面体的结构框架会发生扭曲形成了对称性较差的类似八面体配位的多面体结构。随着容忍因子t的数值继续减少，A离子与B离子的尺寸的差别会逐渐地变小，此时材料的结构就会变成类似于FeTiO3、α-Mn2O3或者C型稀土化合物的结构如：Ln2O3[29]。2.3钙钛矿太阳能电池的结构钙钛矿太阳能电池的结构大致分为两种结构，一种是平面异质结构，另一种是介观结构。通常，钙钛矿太阳能电池一般包括五个部分如图2-2所示：导电玻璃（FTO、ITO）、电子传输层（ZnO、TiO2、SnO2）、钙钛矿层（MAPbI3）、空穴传输层（Spiro--OMeTAD）、金属电极（Au、Ag）。图2-2钙钛矿太阳能电池结构示意图Fig.2-2SchematicillustrationofthePSCs介孔结构的器件相比于平面异质结构的器件就是在电子传输层与钙钛矿层之间多了一层介孔支架结构，这种支架结构使用的介孔颗粒膜材料，由于其位于电子传输层与钙钛矿层之间，一般选用TiO2和ZnO作为介孔层，因为其导带底略低于钙钛矿层材料的导带底，从而使钙钛矿导带中的光生电子可以注入这些材
瓷大学硕士学位论文2文献综述770℃以上的温度就会破坏其分子结构，从而影响器件的热稳定性。而且，Spiro-OMeTAD本身的导电能力非常差，一般需要通过掺杂来提高其传输空穴的能力：一般选用Li-TFSI和TBP（4-tert-Butylpyridine）来进行掺杂[58-59]。但是，Li盐对水特别敏感，遇水非常容易潮解，Li盐吸水后非常容易破坏钙钛矿层，使钙钛矿发生分解[60]。另外，由于TBP能溶解PbI2，也会导致钙钛矿层发生分解。同时，Spiro-OMeTAD合成工艺非常复杂，价格非常昂贵等缺点，所以需要寻找其它的空穴传输材料来替代Spiro-OMeTAD。图2-3spiro-OMeTAD结构示意图Fig.2-3SchematicillustrationofSpiro-OMeTAD随后，研究者提出了多种无机物作为空穴传输材料：NiOX、CuI、CuSCN等材料。NiOX是一种P型半导体材料，但是其导电性能比较差。Chen[61]课题组采用Mg-Li材料来掺杂NiOX，从而提高其导电性。以此来作为空穴传输层，并且制备出了反式结构的钙钛矿太阳能电池，器件的效率达到了16.5%。并且器件的稳定性也得到提高，在7天后器件的效率仍然保持在90%以上。Zhao课题组[62]采用NiO来代替Spiro-OMeTAD，选用PCBM作为电子传输层，制备了反式结构的钙钛矿太阳能电池。结果表明，反式结构的器件的热稳定性明显得到提升，经过80次的循环加热后（每次：85℃加热2h；冷却2h），器件的效率仍能保持在初始效率的74%以上；而使用Spiro-OMeTAD的器件在经过10次循环以后，器件的效率下降到5%以下。Christians[63]课题组采用CuI和CuSCN作为空穴传输层材料，其实验结果表明CuI的导电性比Spiro-OMeTAD更优越，可以更好地改善器件的填充因子,PCE为6%；而CuSCN材料的空穴传输速率为0.01-0.1cm2V/S，远远高于Spiro-OMeTAD的空穴传输速率，从而能大大的提高器件的短路电流，器件
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