空气条件下高性能钙钛矿太阳能电池及其退化机制的研究
发布时间：2021-06-16 00:36
钙钛矿太阳能电池因其优异的光电特性、低成本、易制备等优点在过去的十年间得到了深入的研究。尽管目前钙钛矿太阳能电池已经取得了较高的光电转换效率,但空气条件下制备的器件性能仍处于较低水平,钙钛矿器件退化机制仍需深入探讨。本论文系统地研究了空气条件下制备高性能钙钛矿太阳能电池,探讨了水氧诱导钙钛矿退化的微观机制,同时还研究了有机电子传输材料C60的偶极弛豫性质。首先,为了提升空气条件下制备的反式结构钙钛矿太阳能电池的光电转换效率,我们在钙钛矿前驱体溶液中协同掺杂碘化铯和水。研究表明,碘化铯水溶液中水起到了延缓结晶的作用,使钙钛矿具有较大的晶粒尺寸（从250 nm增至550 nm）和较少的缺陷态;同时,铯离子的掺入调节了钙钛矿的带隙和能级排列,价带顶提升0.28eV,有助于载流子的传输。通过碘化铯水溶液中铯与水的协同作用,基于45%的湿度,我们将空气条件下制备的无缓冲层反式结构器件效率提升至16.6%。其次,由于P3HT与钙钛矿之间存在着较差的物理接触和能级失配,以P3HT为空穴传输层的钙钛矿太阳能电池的性能始终处于较低水平,尤其空气条件下制备的P3HT基钙钛矿太阳能电池。鉴于此,我们设计了铅...
【文章来源】：安徽师范大学安徽省
【文章页数】：100 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
-1钙钛矿结构示意图[1]
51.2.1基于液态电解质的钙钛矿太阳能电池2009年Miyasaka首次将有机-无机杂化钙钛矿CH3NH3PbX(X=I,Br)应用为太阳能电池的光吸收材料，并获得了3.8%的效率[17]。而当时制备的钙钛矿是基于染料敏化电池的结构，用钙钛矿替换了传统的有机染料作为吸光材料，采用液态电解质。由于钙钛矿在电解质中容易溶解，因此制备出的电池并不稳定。2011年，Park等人将2-3nm的钙钛矿纳米晶引入到染料敏化结构的太阳能电池中，他们将钙钛矿量子点材料原位沉积到多孔TiO2结构中[18]。在基于优化了厚度的TiO2薄膜上，通过Pb(NO3)2修饰表面，获得了高达6.5%的光电转换效率。但稳定性问题仍然未得到解决，在持续光照的工作条件下，钙钛矿纳米晶会逐渐溶解到电解液中。为了克服这一问题，就需要将染料敏化太阳能电池中的液态电解质设计成固态电解质。随着研究的深入，一般认为在染料敏化太阳能电池中开路电压是由TiO2的费米能级和电介质之间的还原电势差所决定。由于固态空穴传输材料与之具有更高的还原电势差，理论上采用固态电解质应该能取的更高的开路电压。这些理论研究与优点都推动了固态电解质的发展。首先报道的固态空穴传输材料为2,2",7,7"-Tetrakis[N,N-di(4-methoxyphenyl)amino]-9,9’-spirobifluorene(Spiro-OMeTAD)。由于空穴迁移率不高，最初基于Spiro-OMeTAD制备的器件效率并不理想。研究发现通过添加Lithium-bis(trifluoromethanesulphonyl)imide(Li-TFSI)和4-tert-butylpyridine(TBP)等，可以显著改善其空穴迁移率，并获得了较高的效率。这也为全固态钙钛矿太阳能电池打下了基矗图1.2-1NREL给出的各类太阳能电池认证效率进展[2]
61.2.2全固态钙钛矿太阳能电池2012年，Park基于CH3NH3PbI3钙钛矿材料制备了结构为FTO/(CH3NH3)PbI3+TiO2+HTM/HTM(Spiro-OMeTAD)/Au的全固态太阳能电池，如图1.2-2所示，并获得了高达9.7%的效率[6]。由于采用了全固态设计，避免了电解液的不利影响，因此电池的稳定性也显著改善。这一固态结构的设计使钙钛矿太阳能电池的研究迈入了一个新的阶段。同年，Snaith基于溶液法制备了介孔超结构的钙钛矿太阳能电池（结构如图1.2-3所示），并取得了10.9%的光电转换效率[3]。有趣的是，电池采用了绝缘的Al2O3作为骨架层，但仍然表现出了高效的电荷迁移。并获得了高达1.1eV的开路电压。由于Al2O3是绝缘材料，这意味着钙钛矿不仅可以作为光吸收层还可以传输电子，电荷迁移示意图如图1.2-4所示。绝缘层的存在迫使电子滞留在钙钛矿内并在钙钛矿自身传输，因此降低了能量损失，基于1.55eV带隙的钙钛矿获得了高达1.1eV的开路电压。至此，掀起了钙钛矿研究的热潮。仅仅时隔一年之后，2013年钙钛矿太阳能电池的效率突飞猛进，Seok使用溶剂工程，将PbI2,PbBr2,MAI和MABr溶解在γ-丁内酯（GBL）和二甲基亚砜（DMSO）图1.2-2全固态钙钛矿太阳能电池结构图[6]图1.2-3介孔超结构电池结构示意图[3]
本文编号：3232015
【文章来源】：安徽师范大学安徽省
【文章页数】：100 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
-1钙钛矿结构示意图[1]
51.2.1基于液态电解质的钙钛矿太阳能电池2009年Miyasaka首次将有机-无机杂化钙钛矿CH3NH3PbX(X=I,Br)应用为太阳能电池的光吸收材料，并获得了3.8%的效率[17]。而当时制备的钙钛矿是基于染料敏化电池的结构，用钙钛矿替换了传统的有机染料作为吸光材料，采用液态电解质。由于钙钛矿在电解质中容易溶解，因此制备出的电池并不稳定。2011年，Park等人将2-3nm的钙钛矿纳米晶引入到染料敏化结构的太阳能电池中，他们将钙钛矿量子点材料原位沉积到多孔TiO2结构中[18]。在基于优化了厚度的TiO2薄膜上，通过Pb(NO3)2修饰表面，获得了高达6.5%的光电转换效率。但稳定性问题仍然未得到解决，在持续光照的工作条件下，钙钛矿纳米晶会逐渐溶解到电解液中。为了克服这一问题，就需要将染料敏化太阳能电池中的液态电解质设计成固态电解质。随着研究的深入，一般认为在染料敏化太阳能电池中开路电压是由TiO2的费米能级和电介质之间的还原电势差所决定。由于固态空穴传输材料与之具有更高的还原电势差，理论上采用固态电解质应该能取的更高的开路电压。这些理论研究与优点都推动了固态电解质的发展。首先报道的固态空穴传输材料为2,2",7,7"-Tetrakis[N,N-di(4-methoxyphenyl)amino]-9,9’-spirobifluorene(Spiro-OMeTAD)。由于空穴迁移率不高，最初基于Spiro-OMeTAD制备的器件效率并不理想。研究发现通过添加Lithium-bis(trifluoromethanesulphonyl)imide(Li-TFSI)和4-tert-butylpyridine(TBP)等，可以显著改善其空穴迁移率，并获得了较高的效率。这也为全固态钙钛矿太阳能电池打下了基矗图1.2-1NREL给出的各类太阳能电池认证效率进展[2]
61.2.2全固态钙钛矿太阳能电池2012年，Park基于CH3NH3PbI3钙钛矿材料制备了结构为FTO/(CH3NH3)PbI3+TiO2+HTM/HTM(Spiro-OMeTAD)/Au的全固态太阳能电池，如图1.2-2所示，并获得了高达9.7%的效率[6]。由于采用了全固态设计，避免了电解液的不利影响，因此电池的稳定性也显著改善。这一固态结构的设计使钙钛矿太阳能电池的研究迈入了一个新的阶段。同年，Snaith基于溶液法制备了介孔超结构的钙钛矿太阳能电池（结构如图1.2-3所示），并取得了10.9%的光电转换效率[3]。有趣的是，电池采用了绝缘的Al2O3作为骨架层，但仍然表现出了高效的电荷迁移。并获得了高达1.1eV的开路电压。由于Al2O3是绝缘材料，这意味着钙钛矿不仅可以作为光吸收层还可以传输电子，电荷迁移示意图如图1.2-4所示。绝缘层的存在迫使电子滞留在钙钛矿内并在钙钛矿自身传输，因此降低了能量损失，基于1.55eV带隙的钙钛矿获得了高达1.1eV的开路电压。至此，掀起了钙钛矿研究的热潮。仅仅时隔一年之后，2013年钙钛矿太阳能电池的效率突飞猛进，Seok使用溶剂工程，将PbI2,PbBr2,MAI和MABr溶解在γ-丁内酯（GBL）和二甲基亚砜（DMSO）图1.2-2全固态钙钛矿太阳能电池结构图[6]图1.2-3介孔超结构电池结构示意图[3]
本文编号：3232015
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