基于二维钙钛矿材料的卤素调控及太阳能电池制备研究
发布时间：2021-08-21 15:53
由于具备优异的光电特性、简单的制备工艺等优势,钙钛矿材料在近年来受到了研究人员的广泛关注。其中,钙钛矿太阳能电池的发展尤为迅猛,短短十余年之间,器件效率便由3.8%攀升至25%以上。但传统的三维钙钛矿材料存在着稳定性差的问题,这使得三维钙钛矿太阳能电池的商业化遥遥无期。作为钙钛矿材料家族中的一员,二维钙钛矿材料在继承三维钙钛矿材料诸多优点的同时,还兼具更强的稳定性,这使得其有着更好的应用前景。目前,围绕着二维钙钛矿的研究大多停留在有机胺的替换、制备工艺的优化方面,而关于卤素离子调控的相关研究甚少。而Br元素掺杂在三维钙钛矿材料中的取得重大成就,使得我们对其在二维钙钛矿中的作用抱有极大的期待。本文重点探究Br元素掺杂对二维钙钛矿薄膜特性以及对太阳能电池性能和内部载流子复合的影响。具体内容如下:（1）使用热铸法制备了BA2MA4Pb5(I1-x-x Brx)16薄膜。通过SEM、AFM、XED、GIWAXS等相关测试,对不同溴掺杂比例的二维钙钛矿薄膜进行了表征...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
钙钛矿太阳能电池光电转换效率的发展历程[29-39]
第一章绪论7题。2019年，Ji等人报道了一种铅锡混合钙钛矿(Cs/MA/FAPb1-xSnxX3，X=Cl，Br，I，x=0.336)器件，在获得16.1%效率的同时稳定性也得到了极大的提升[49]。虽然这种方法能够大大降低钙钛矿的毒性，但无法从根本上解决钙钛矿的毒性问题。因此，如何获得高效率，稳定性好的无毒钙钛矿太阳能电池仍旧是研究难点。此外，钙钛矿太阳能电池商业化的最大阻碍是稳定性问题，如图1-4所示，稳定性问题主要集中在光稳定性、水稳定性、化学稳定性等方面[50].图1-4钙钛矿太阳能电池的稳定性问题对于钙钛矿材料，其暴露在潮湿的环境中会缓慢的分解成为PbI2[51]。这一问题可以通过封装技术来进行改善，因此并不是阻碍钙钛矿太阳能电池商业化的最大问题。对于钙钛矿而言，由于内部缺陷态的存在，光和热会成为催化因素加速材料本身的降解[52]。以TiO2为电子传输层的太阳能电池会在太阳光中紫外线的作用下，催化降解上层的钙钛矿材料。使用Al2O3代替能在一定程度上缓解这一情况，但会导致一定程度上的晶格失配情况。P.Zhang等人通过使用Al掺杂的ZnO来作为电子传输层材料，不仅改善了使用Al2O3导致的晶格失配情况，也改善了在紫外线作用下，TiO2层分解钙钛矿的状况[53]。此外，在不同的温度情形下，钙钛矿材料会出现不同的晶相，以MAPbI3为例，在55℃之下为四方相，高于该温度为立方相，这种相变的存在，是钙钛矿太阳能电池热稳定性差的原因之一。通过调控钙钛矿组分之中的有机阳离子与卤素阴离子，同样能够起到提高钙钛矿材料稳定性的作用[54-55]。除去常规的在有机阳离子之中掺入Cs+离子，以加强HC(NH2)2+与I-之间相互作用的方式，提升钙钛矿材料的光稳定性与水氧稳定性之外[56]。研究人员还发现通过掺杂卤素阴
第二章二维钙钛矿太阳能电池概述11第二章二维钙钛矿太阳能电池概述2.1二维钙钛矿材料简介钙钛矿材料最初是指自然界一种成分为CaTiO3（钛酸钙）的矿石，为了纪念俄罗斯科学家Perovski，将这种材料命名为Perovskite，即钙钛矿。后来将任何与CaTiO3具有相似晶体结构的材料都称之为钙钛矿材料[69]。这类结构通式为ABX3的钙钛矿材料也被称为三维钙钛矿，其晶体结构如图2-1所示。空间六面体的八个顶角为A所占据，通常为有机阳离子基团或无机金属阳离子，如甲胺（CH3NH3+，MA)、甲脒（HC(NH2)2+，FA）、铯离子（Cs+）等；B是位于立方体的体心处的金属阳离子，一般为铅离子（Pb2+）与锡离子（Sn2+），铅基钙钛矿稳定性更好，铅基器件的效率也更高，但是铅基钙钛矿也存在毒性较高这一缺陷；处于六个面心处的X为卤素阴离子，通常为氯离子（Cl-）、溴离子（Br-）及碘离子（I-）[69]。图2-1三维钙钛矿材料的晶体结构二维钙钛矿材料于1991年由Calabrese等人所制备出[70]。之所以称之为二维钙钛矿是因为长链有机胺会将三维钙钛矿材料的结构框架切割开来从而形成一段段小的八面体无机层，同时长链有机胺会部分替代（或全部替代）三维钙钛矿中的A离子，在空间上会与分割开的无机层之间相互交替存在，从而形成了低维结构。按照切割晶向的不同，分为<100>、<110>、<111>三种类型[71]。其中<100>晶向的二维钙钛矿材料是在光电器件应用最为广泛的，这种结构的钙钛矿材料称为Ruddlesden-Popper（R-P）钙钛矿[64]。其结构通式为（RNH3）2An-1MnX3n+1，其中RNH3+为有机胺阳离子基团，如苯乙基胺（PEA+）、丁基胺（BA+）、聚乙烯亚胺（PEI+）与乙二胺（EDA＋）等，A、M、X分别对应于三维钙钛矿中的A、B、X。ｎ为整数，为二维钙钛矿的层数。由图2-2可以
【参考文献】：
期刊论文
[1]低维钙钛矿:兼具高效率和稳定性的新型太阳能电池光吸收层候选材料[J]. 陈皓然,夏英东,陈永华,黄维. 材料导报. 2018(01)
[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]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)
[4]采用空穴阻挡层提高有机太阳电池效率的研究[J]. 木丽萍,陈志坚,龚旗煌,肖立新,曲波. 半导体光电. 2012(01)
本文编号：3355902
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
钙钛矿太阳能电池光电转换效率的发展历程[29-39]
第一章绪论7题。2019年，Ji等人报道了一种铅锡混合钙钛矿(Cs/MA/FAPb1-xSnxX3，X=Cl，Br，I，x=0.336)器件，在获得16.1%效率的同时稳定性也得到了极大的提升[49]。虽然这种方法能够大大降低钙钛矿的毒性，但无法从根本上解决钙钛矿的毒性问题。因此，如何获得高效率，稳定性好的无毒钙钛矿太阳能电池仍旧是研究难点。此外，钙钛矿太阳能电池商业化的最大阻碍是稳定性问题，如图1-4所示，稳定性问题主要集中在光稳定性、水稳定性、化学稳定性等方面[50].图1-4钙钛矿太阳能电池的稳定性问题对于钙钛矿材料，其暴露在潮湿的环境中会缓慢的分解成为PbI2[51]。这一问题可以通过封装技术来进行改善，因此并不是阻碍钙钛矿太阳能电池商业化的最大问题。对于钙钛矿而言，由于内部缺陷态的存在，光和热会成为催化因素加速材料本身的降解[52]。以TiO2为电子传输层的太阳能电池会在太阳光中紫外线的作用下，催化降解上层的钙钛矿材料。使用Al2O3代替能在一定程度上缓解这一情况，但会导致一定程度上的晶格失配情况。P.Zhang等人通过使用Al掺杂的ZnO来作为电子传输层材料，不仅改善了使用Al2O3导致的晶格失配情况，也改善了在紫外线作用下，TiO2层分解钙钛矿的状况[53]。此外，在不同的温度情形下，钙钛矿材料会出现不同的晶相，以MAPbI3为例，在55℃之下为四方相，高于该温度为立方相，这种相变的存在，是钙钛矿太阳能电池热稳定性差的原因之一。通过调控钙钛矿组分之中的有机阳离子与卤素阴离子，同样能够起到提高钙钛矿材料稳定性的作用[54-55]。除去常规的在有机阳离子之中掺入Cs+离子，以加强HC(NH2)2+与I-之间相互作用的方式，提升钙钛矿材料的光稳定性与水氧稳定性之外[56]。研究人员还发现通过掺杂卤素阴
第二章二维钙钛矿太阳能电池概述11第二章二维钙钛矿太阳能电池概述2.1二维钙钛矿材料简介钙钛矿材料最初是指自然界一种成分为CaTiO3（钛酸钙）的矿石，为了纪念俄罗斯科学家Perovski，将这种材料命名为Perovskite，即钙钛矿。后来将任何与CaTiO3具有相似晶体结构的材料都称之为钙钛矿材料[69]。这类结构通式为ABX3的钙钛矿材料也被称为三维钙钛矿，其晶体结构如图2-1所示。空间六面体的八个顶角为A所占据，通常为有机阳离子基团或无机金属阳离子，如甲胺（CH3NH3+，MA)、甲脒（HC(NH2)2+，FA）、铯离子（Cs+）等；B是位于立方体的体心处的金属阳离子，一般为铅离子（Pb2+）与锡离子（Sn2+），铅基钙钛矿稳定性更好，铅基器件的效率也更高，但是铅基钙钛矿也存在毒性较高这一缺陷；处于六个面心处的X为卤素阴离子，通常为氯离子（Cl-）、溴离子（Br-）及碘离子（I-）[69]。图2-1三维钙钛矿材料的晶体结构二维钙钛矿材料于1991年由Calabrese等人所制备出[70]。之所以称之为二维钙钛矿是因为长链有机胺会将三维钙钛矿材料的结构框架切割开来从而形成一段段小的八面体无机层，同时长链有机胺会部分替代（或全部替代）三维钙钛矿中的A离子，在空间上会与分割开的无机层之间相互交替存在，从而形成了低维结构。按照切割晶向的不同，分为<100>、<110>、<111>三种类型[71]。其中<100>晶向的二维钙钛矿材料是在光电器件应用最为广泛的，这种结构的钙钛矿材料称为Ruddlesden-Popper（R-P）钙钛矿[64]。其结构通式为（RNH3）2An-1MnX3n+1，其中RNH3+为有机胺阳离子基团，如苯乙基胺（PEA+）、丁基胺（BA+）、聚乙烯亚胺（PEI+）与乙二胺（EDA＋）等，A、M、X分别对应于三维钙钛矿中的A、B、X。ｎ为整数，为二维钙钛矿的层数。由图2-2可以
【参考文献】：
期刊论文
[1]低维钙钛矿:兼具高效率和稳定性的新型太阳能电池光吸收层候选材料[J]. 陈皓然,夏英东,陈永华,黄维. 材料导报. 2018(01)
[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]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)
[4]采用空穴阻挡层提高有机太阳电池效率的研究[J]. 木丽萍,陈志坚,龚旗煌,肖立新,曲波. 半导体光电. 2012(01)
本文编号：3355902
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