钙钛矿太阳能电池中铜基无机空穴传输材料的研究进展
发布时间：2021-03-30 05:42
近年来以高效、低成本、易制备为特点的钙钛矿太阳能电池（PSCs）成为光伏领域的研究热点,由最初的3.8%迅速增长到目前的25.2%,性能已接近单晶硅太阳能电池的最高水平,具有广泛的商业化应用前景。以有机金属卤化物半导体作为吸光材料的PSCs,得到了广泛研究,被认为是最具备发展潜力的一类光伏技术。其中起到空穴传输作用的p型材料对器件的光伏性能和稳定性有着重要的影响。通常空穴传输材料可以分为有机空穴传输材料和无机空穴传输材料两大类。目前,高效钙钛矿电池广泛采用的有机空穴传输材料（如Spiro-OMe TAD、PTAA等）不仅成本高昂,而且有机物掺杂是造成钙钛矿稳定性低的重要因素。相比于前者,无机空穴传输材料具有价格低廉,空穴迁移率高,稳定性好,带隙宽等优势,尤其铜基空穴传输材料除了兼具无机材料以上优点以外,还具备种类多样、能级易于调控、可低温溶液加工等独特优势,是最具规模化、柔性化应用潜力的无机空穴传输材料,加强其作为空穴传输层应用于PSCs的研究,对于实现低成本、大面积、可穿戴、高效率的PSCs具有重要意义。近年来,PSCs中铜基空穴传输材料在新型材料和制备方法领域取得了较大的进展,在本...
【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】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
太阳能电池研究成果现状[7]
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文2在这几代太阳能电池中，PSCs集合了前几种太阳能电池技术特别明显的优势：高光电转换效率（晶体硅PV）、轻量化和柔韧性（GaAs、CdTe和CIGS无机薄膜PVs），以及低温溶液加工性和颜色可调节性（有机太阳能电池、染料敏化太阳能电池、量子点薄膜太阳能电池），引起了人们广泛的关注[5]。近年来以高效、低成本、易制备为特点的钙钛矿太阳能电池（PSCs）成为光伏领域的研究热点，其光电转换效率（PCE）在短短的十年内，由最初的3.8%[6]迅速增长到目前的25.2%[7]，发展速度远超其他光伏电池，性能已接近单晶硅太阳能电池的最高水平，具有广泛的商业化应用前景。1839年，德国矿物学家格斯特拉夫·罗斯在乌拉尔山脉发现了第一颗天然钙钛矿，从导体到绝缘体，钙钛矿种类较多，但用于太阳能电池和其他光电应用的钙钛矿通常是无机-有机混合型钙钛矿，具有直接带隙、较强的光吸收能力，载流子迁移率较高[8]。钙钛矿采用通式ABX3表示，如图1-2所示，A和B是不同原子半径的阳离子，X是阴离子，理想状态下为立方晶体结构。在太阳能电池中常用的有机卤化铅钙钛矿中，A是一价阳离子（甲铵（CH3NH3+）、甲脒（NH2）2CH+）、Cs+或Rb+，B是来自IVA的金属阳离子（Pb2+或Sn2+），X是卤素离子（Cl-、Br-、I-）[9]。图1-2钙钛矿晶体结构[9]
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文3钙钛矿太阳能电池按照结构划分能够分为两大类：介孔型和平面异质结型，钙钛矿太阳能电池一般由三层功能性薄膜堆叠在正负电极之间构成，其中功能性薄膜包括电子传输层（ETL）、钙钛矿光吸收层（PAL）、空穴传输层（HTL），按照堆叠顺序的不同，大体可以分为正向n-i-p型结构和反向p-i-n型结构。如图1-3所示，这两种结构由五个部分组成：透明导电玻璃基底、电子传输层(ETL)、钙钛矿层、空穴传输层(HTL)和接触电极(如Au或Ag)[10]。其中介孔型电池中的TiO2介孔结构需要高温(>450℃)烧结，制备工艺复杂，成本较高，并且存在J-V滞后等缺点[11]。平面异质结型电池制备工艺简单，不需要高温煅烧，几乎没有迟滞效应。图1-3常见钙钛矿太阳电池的原理图：介孔(n-i-p)结构、正置结构(n-i-p)、倒置结构(p-i-n)[10]PSCs其工作原理为在接受太阳光照射时，钙钛矿光吸收层首先吸收光子产生电子-空穴对，由于钙钛矿激子束缚能的差异，这些载流子或者成为自由载流子（电子和空穴），或者形成激子。自由载流子/激子通过扩散到达ETL/PAL/HTL界面处，由于界面处存在能级差，激子会分离为自由载流子。然后，所有未复合的电子和空穴分别被电子传输层和空穴传输层收集。最后，通过透明导电电极和金属电极将收集到的自由载流子输送给外电路做电功，实现光电转换过程。从上述PSCs工作原理可看出，空穴传输层在光伏器件中是十分重要的，HTL不仅担负着传输空穴，防止钙钛矿层和导电玻璃表面之间的直接接触的作用，同时对钙钛矿层晶体的结晶取向、晶粒尺寸以及形貌缺陷有着重要的影响[9]。在这些过程中空穴传输层材料主要起到以下四方面的作用：（1）促进电子和空穴的分离；（2）与钙钛矿层形成欧姆接触，有效地收集空穴；（3）有效地传输空穴
本文编号：3108972
【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】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
太阳能电池研究成果现状[7]
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文2在这几代太阳能电池中，PSCs集合了前几种太阳能电池技术特别明显的优势：高光电转换效率（晶体硅PV）、轻量化和柔韧性（GaAs、CdTe和CIGS无机薄膜PVs），以及低温溶液加工性和颜色可调节性（有机太阳能电池、染料敏化太阳能电池、量子点薄膜太阳能电池），引起了人们广泛的关注[5]。近年来以高效、低成本、易制备为特点的钙钛矿太阳能电池（PSCs）成为光伏领域的研究热点，其光电转换效率（PCE）在短短的十年内，由最初的3.8%[6]迅速增长到目前的25.2%[7]，发展速度远超其他光伏电池，性能已接近单晶硅太阳能电池的最高水平，具有广泛的商业化应用前景。1839年，德国矿物学家格斯特拉夫·罗斯在乌拉尔山脉发现了第一颗天然钙钛矿，从导体到绝缘体，钙钛矿种类较多，但用于太阳能电池和其他光电应用的钙钛矿通常是无机-有机混合型钙钛矿，具有直接带隙、较强的光吸收能力，载流子迁移率较高[8]。钙钛矿采用通式ABX3表示，如图1-2所示，A和B是不同原子半径的阳离子，X是阴离子，理想状态下为立方晶体结构。在太阳能电池中常用的有机卤化铅钙钛矿中，A是一价阳离子（甲铵（CH3NH3+）、甲脒（NH2）2CH+）、Cs+或Rb+，B是来自IVA的金属阳离子（Pb2+或Sn2+），X是卤素离子（Cl-、Br-、I-）[9]。图1-2钙钛矿晶体结构[9]
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文3钙钛矿太阳能电池按照结构划分能够分为两大类：介孔型和平面异质结型，钙钛矿太阳能电池一般由三层功能性薄膜堆叠在正负电极之间构成，其中功能性薄膜包括电子传输层（ETL）、钙钛矿光吸收层（PAL）、空穴传输层（HTL），按照堆叠顺序的不同，大体可以分为正向n-i-p型结构和反向p-i-n型结构。如图1-3所示，这两种结构由五个部分组成：透明导电玻璃基底、电子传输层(ETL)、钙钛矿层、空穴传输层(HTL)和接触电极(如Au或Ag)[10]。其中介孔型电池中的TiO2介孔结构需要高温(>450℃)烧结，制备工艺复杂，成本较高，并且存在J-V滞后等缺点[11]。平面异质结型电池制备工艺简单，不需要高温煅烧，几乎没有迟滞效应。图1-3常见钙钛矿太阳电池的原理图：介孔(n-i-p)结构、正置结构(n-i-p)、倒置结构(p-i-n)[10]PSCs其工作原理为在接受太阳光照射时，钙钛矿光吸收层首先吸收光子产生电子-空穴对，由于钙钛矿激子束缚能的差异，这些载流子或者成为自由载流子（电子和空穴），或者形成激子。自由载流子/激子通过扩散到达ETL/PAL/HTL界面处，由于界面处存在能级差，激子会分离为自由载流子。然后，所有未复合的电子和空穴分别被电子传输层和空穴传输层收集。最后，通过透明导电电极和金属电极将收集到的自由载流子输送给外电路做电功，实现光电转换过程。从上述PSCs工作原理可看出，空穴传输层在光伏器件中是十分重要的，HTL不仅担负着传输空穴，防止钙钛矿层和导电玻璃表面之间的直接接触的作用，同时对钙钛矿层晶体的结晶取向、晶粒尺寸以及形貌缺陷有着重要的影响[9]。在这些过程中空穴传输层材料主要起到以下四方面的作用：（1）促进电子和空穴的分离；（2）与钙钛矿层形成欧姆接触，有效地收集空穴；（3）有效地传输空穴
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