高效反式钙钛矿太阳能电池的器件优化及其大面积制备
发布时间：2021-07-03 14:58
随着各世界各国的工业化不断完善,地球上的传统化石能源被大量消耗,所以开发新型的可再生能源便成为了能源研究的焦点。太阳能电池将光能转化成电能的方式具有能量转换率高且易于储存的优点,被普遍认为是高效利用太阳能的最佳方式。其中钙钛矿太阳能电池因为其成本低廉、可柔性制备、转化效率高等特点引起了研究者们的广泛关注。尽管目前最高效的钙钛矿器件主要基于平面正式结构和介孔正式结构,但是反式结构具有制备工艺简单和易与传统太阳能电池结合制备叠层电池等优势,为今后的商业化生产开拓了广阔的前景。因此,本论文将围绕反式钙钛矿太阳能电池的器件优化展开研究,并扩展到大面积器件的制备,主要工作如下:我们开发了新型的有机小分子空穴传输材料TMeOPSIDA和TMePSIDPA。相比于PEDOT:PSS,TMeOPSIDA和TMePSIDPA的HOMO能级与钙钛矿的价带更为匹配,有利于界面间电荷的抽取并提高器件的开路电压。其中,TMe PSIDPA比TMeOPSIDA的空穴迁移率更高,代表着具有更好的空穴传输能力。从扫描电子显微镜（SEM）表面图像来看,相比于PEDOT:PSS,基于小分子材料的钙钛矿薄膜拥有更大的晶粒尺...
【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】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
REN21发布的可再生能源使用每年的增长量统计[4]
可再生能源实验室）最新发布了太阳能电池效率发展图，截至2020年钙钛矿太阳能的最高认证效率已经跃升至25.2%[4]，超过了传统的薄膜太阳能电池，仅次于单晶硅太阳能电池，这预示着钙钛矿太阳能电池蕴藏着巨大的商业化潜力。尽管目前钙钛矿太阳能电池还存在器件寿命不长和材料含毒性（铅元素）等问题，但是科学家们已经开展专项研究并寻找解决方案，积极推进钙钛矿太阳能电池的商业化进程。可以预见的是，在未来的几年依旧是钙钛矿太阳能电池高速发展的时期，转换效率也会节节攀升，最终接近甚至赶超晶体硅太阳能电池。图1-2NREL2019年发布的太阳能电池最新认证效率图[4]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-3-1.2钙钛矿太阳能电池简介1.2.1钙钛矿型吸光材料在钙钛矿太阳能电池中，吸光层材料是一种具有ABX3特殊晶体结构的半导体材料，即钙钛矿型材料[14]。图1-3展示的是钙钛矿材料的晶体结构，其中A离子位于立方晶胞的中心位置，被12个X离子包围成配位立方八面体；B离子位于立方晶胞的顶点位置，被6个X离子包围成配位八面体。因此，钙钛矿结构比其他共棱、共面的结构更加稳定。在钙钛矿太阳能电池中，A离子通常为有机阳离子，比如CH3NH3+（MA+）和HC（CH2）+（FA+）等；有时也可以是一些金属阳离子，比如Cs+和Rb+等。B离子通常为二价金属阳离子，包括Pb2+、Sn2+和Ge2+等。X离子通常为卤族阴离子，包括Cl、Br和I阴离子等，不同卤素离子的引入会对钙钛矿的载流子扩散长度、禁带宽度和晶体稳定性等造成显著影响。通过A、B和X离子半径的合理配比，能够形成稳定的立方体或八面体结构，使得钙钛矿材料具有吸光系数高、带隙可调、载流子迁移率高、载流子寿命长等优点[15]。研究表明，当A离子半径增大，点阵扩张，导致带隙相应变小，吸收边发生红移，从而获得更大的短路电流；用Sn2+取代常用的Pb2+作为B离子，可以缓解有毒性的Pb2+带来的安全问题。因此，探索稳定、安全和高效的ABX3钙钛矿组分为吸光层，仍然是光伏领域的研究热点之一。图1-3钙钛矿型吸光材料的晶体结构[16]1.2.2钙钛矿太阳能电池的工作原理传统的钙钛矿太阳能电池主要由透明电极、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层和金属电极构成，为了简化结构有些器件甚至省去了空穴传输层和电子传输层。
本文编号：3262805
【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】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
REN21发布的可再生能源使用每年的增长量统计[4]
可再生能源实验室）最新发布了太阳能电池效率发展图，截至2020年钙钛矿太阳能的最高认证效率已经跃升至25.2%[4]，超过了传统的薄膜太阳能电池，仅次于单晶硅太阳能电池，这预示着钙钛矿太阳能电池蕴藏着巨大的商业化潜力。尽管目前钙钛矿太阳能电池还存在器件寿命不长和材料含毒性（铅元素）等问题，但是科学家们已经开展专项研究并寻找解决方案，积极推进钙钛矿太阳能电池的商业化进程。可以预见的是，在未来的几年依旧是钙钛矿太阳能电池高速发展的时期，转换效率也会节节攀升，最终接近甚至赶超晶体硅太阳能电池。图1-2NREL2019年发布的太阳能电池最新认证效率图[4]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-3-1.2钙钛矿太阳能电池简介1.2.1钙钛矿型吸光材料在钙钛矿太阳能电池中，吸光层材料是一种具有ABX3特殊晶体结构的半导体材料，即钙钛矿型材料[14]。图1-3展示的是钙钛矿材料的晶体结构，其中A离子位于立方晶胞的中心位置，被12个X离子包围成配位立方八面体；B离子位于立方晶胞的顶点位置，被6个X离子包围成配位八面体。因此，钙钛矿结构比其他共棱、共面的结构更加稳定。在钙钛矿太阳能电池中，A离子通常为有机阳离子，比如CH3NH3+（MA+）和HC（CH2）+（FA+）等；有时也可以是一些金属阳离子，比如Cs+和Rb+等。B离子通常为二价金属阳离子，包括Pb2+、Sn2+和Ge2+等。X离子通常为卤族阴离子，包括Cl、Br和I阴离子等，不同卤素离子的引入会对钙钛矿的载流子扩散长度、禁带宽度和晶体稳定性等造成显著影响。通过A、B和X离子半径的合理配比，能够形成稳定的立方体或八面体结构，使得钙钛矿材料具有吸光系数高、带隙可调、载流子迁移率高、载流子寿命长等优点[15]。研究表明，当A离子半径增大，点阵扩张，导致带隙相应变小，吸收边发生红移，从而获得更大的短路电流；用Sn2+取代常用的Pb2+作为B离子，可以缓解有毒性的Pb2+带来的安全问题。因此，探索稳定、安全和高效的ABX3钙钛矿组分为吸光层，仍然是光伏领域的研究热点之一。图1-3钙钛矿型吸光材料的晶体结构[16]1.2.2钙钛矿太阳能电池的工作原理传统的钙钛矿太阳能电池主要由透明电极、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层和金属电极构成，为了简化结构有些器件甚至省去了空穴传输层和电子传输层。
本文编号：3262805
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