无空穴传输层碳基钙钛矿太阳能电池的制备及性能研究
发布时间：2021-08-31 02:54
钙钛矿太阳能电池（PSCs）的高性能和简单的制造工艺在科学界引起了越来越多的关注。在过去的几年中,新兴技术使制造大型PSCs模块成为可能。然而,空穴传输材料（HTM）和贵金属电极（Au或Ag）在传统PSCs结构中的应用,由于价格昂贵且在环境空气中不稳定,加速了器件的衰减并增加了生产成本,从而阻碍了PSCs的生产规模和实际应用。因此为了解决上述问题,本文在较高的光电转换效率的基础上降低其成本,以碳替代贵金属作为电池的对电极,在不使用昂贵的空穴传输层情况下,通过涂覆引入碳电极以提高器件的性能。论文的研究内容如下:（1）从降低钙钛矿太阳能电池的制备成本出发,使用导电碳浆作为碳电极,采用两步旋涂法制备钙钛矿薄膜,发现制备所得的CH3NH3PbI3晶粒尺寸较小,结晶不完全,界面间有孔洞和缺陷存在。并将制备的钙钛矿薄膜应用于制造无空穴传输层碳基钙钛矿太阳能电池,对FTO/c-TiO2/m-TiO2/CH3NH3PbI3/C结...
【文章来源】：内蒙古大学内蒙古自治区 211工程院校
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同类型的太阳能电池光电转换效率发展图[14]
内蒙古大学硕士学位论文4图1.2（a）立方晶（α相）的晶体结构[31]，（b）MAPbX3的四方晶系（β）相和正交晶（γ）相的晶体结构[32]，（c）对于不同钙钛矿材料系统的公差系数，t=1是理想的[33]Fig.1.2(a)Crystalstructureofcubic(αphase)[31],(b)crystalstructureofthetetragonalcrystalsystem(β)phaseandorthorhombic(γ)phaseofMAPbX3[32],and(c)thetolerancefactorfordifferentperovskitematerialsystems,t=1isideal[33]钙钛矿材料（CH3NH3PbI3）随温度发生可逆的相变[34]。在大约100K的低温下，存在一个稳定的斜方晶（γ）相，并且四方（β）相和斜方晶（γ）相之间的相变发生在160K左右。三相的晶体结构如图1.2（a-c）所示。方形立方相变部分影响了基于MAPbI3的PSCs的热稳定性[35]。在基于甲基铵碘化铅（HC(NH2)2PbI3）的钙钛矿中，在较高温度下会发生类似的相变，因此与MAPbI3相比，它相对稳定。最近的一份报告显示，光浸润还能在卤化钙钛矿材料中诱导可逆的结构转变[36]。1.2.3钙钛矿太阳能电池的组成和工作原理传统的PSCs由5部分组成，如图1.3（a）所示。它们是透明电极（通常是氧化铟锡（ITO）或氟掺杂的氧化锡（FTO）），电子传输层，钙钛矿活性层，空穴传输层以及金属背电极。其中，电子传输层是用来收集与传输钙钛矿活性层中产生的光生电子，以及阻挡空穴的。钙钛矿太阳能电池通过以下过程工作：（i）钙钛矿层吸收入射光，（ii）分别提取ETM和HTM并传输生成的电子和空穴，如图1.3（b）所示。最后，电极收集了电荷载流子，形成钙钛矿太阳能电池的完整循环。为了确保有效的电荷分离并完成整个过程，这些功能层之间的能量对齐起着关键作用。通常，HTM的最高占据分子轨道（HOMO）必须大于最大价带
内蒙古大学硕士学位论文5（VBM），而ETM的最小导带（CBM）必须小于钙钛矿材料的CBM[37]。ETM的CBM值过高或HTM的HOMO值过低将阻碍电子/空穴的提取，对性能产生不利影响。图1.3（a）钙钛矿器件结构示意图，（b）钙钛矿太阳能电池的工作原理[38]Fig.1.3(a)Schematicillustrationofperovskitedevicestructure,(b)workingprincipleofperovskitesolarcells[38]1.2.4钙钛矿太阳能电池的结构PV中使用的第一批OMHPs被用作DSSCs中染料敏化剂的直接替代品[13,39]。典型的DSSCs结构采用几微米厚的多孔TiO2层，该层被吸收剂染料材料涂覆并渗透。电极组件与包含氧化还原对的液体电解质接触[40]。在这些器件中，TiO2用于收集和传输电子，而电解质则充当空穴导体。最初的钙钛矿太阳能电池是从这种相同的结构演变而来的，而OMHP材料只是充当染料的替代品[9,22]。当所谓的介观器件结构出现时，人们的兴趣增加了。图1.4（a）是通过用固态空穴导体代替液体电解质而形成的[9,22]。这一进步引起了PV界的极大兴趣，并吸引了薄膜PV和OPV界的专家。结果，开发了其中将OMHP吸收剂夹在电子和空穴传输材料（ETM和HTM）之间的平面器件结构。根据首先遇到的是哪种传输材料，这些平面结构可以分为常规的n-i-p图1.4（b）或倒置的p-i-n图1.4（c）结构。最近，还开发了介观的p-i-n结构图1.4（d）[41,42]。由于工艺上的差异，器件结构决定了电荷传输（ETM和HTM）和收集（阴极和阳极）材料的选择，相应的材料制备方法，以及器件的性能。迄今为止，由于透明导电氧化物（TCO）的常规沉积技术可能导致OMHP表面的分解，因此尚未在不透明的基底（例如，Ti箔）上构建具有显著效率的钙钛矿器件[43,44]。1.2.4.1常规n-i-p结构介观n-i-p结构是钙钛矿PV器件的原始体系结构，至今仍广泛用于制造高?
本文编号：3374038
【文章来源】：内蒙古大学内蒙古自治区 211工程院校
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同类型的太阳能电池光电转换效率发展图[14]
内蒙古大学硕士学位论文4图1.2（a）立方晶（α相）的晶体结构[31]，（b）MAPbX3的四方晶系（β）相和正交晶（γ）相的晶体结构[32]，（c）对于不同钙钛矿材料系统的公差系数，t=1是理想的[33]Fig.1.2(a)Crystalstructureofcubic(αphase)[31],(b)crystalstructureofthetetragonalcrystalsystem(β)phaseandorthorhombic(γ)phaseofMAPbX3[32],and(c)thetolerancefactorfordifferentperovskitematerialsystems,t=1isideal[33]钙钛矿材料（CH3NH3PbI3）随温度发生可逆的相变[34]。在大约100K的低温下，存在一个稳定的斜方晶（γ）相，并且四方（β）相和斜方晶（γ）相之间的相变发生在160K左右。三相的晶体结构如图1.2（a-c）所示。方形立方相变部分影响了基于MAPbI3的PSCs的热稳定性[35]。在基于甲基铵碘化铅（HC(NH2)2PbI3）的钙钛矿中，在较高温度下会发生类似的相变，因此与MAPbI3相比，它相对稳定。最近的一份报告显示，光浸润还能在卤化钙钛矿材料中诱导可逆的结构转变[36]。1.2.3钙钛矿太阳能电池的组成和工作原理传统的PSCs由5部分组成，如图1.3（a）所示。它们是透明电极（通常是氧化铟锡（ITO）或氟掺杂的氧化锡（FTO）），电子传输层，钙钛矿活性层，空穴传输层以及金属背电极。其中，电子传输层是用来收集与传输钙钛矿活性层中产生的光生电子，以及阻挡空穴的。钙钛矿太阳能电池通过以下过程工作：（i）钙钛矿层吸收入射光，（ii）分别提取ETM和HTM并传输生成的电子和空穴，如图1.3（b）所示。最后，电极收集了电荷载流子，形成钙钛矿太阳能电池的完整循环。为了确保有效的电荷分离并完成整个过程，这些功能层之间的能量对齐起着关键作用。通常，HTM的最高占据分子轨道（HOMO）必须大于最大价带
内蒙古大学硕士学位论文5（VBM），而ETM的最小导带（CBM）必须小于钙钛矿材料的CBM[37]。ETM的CBM值过高或HTM的HOMO值过低将阻碍电子/空穴的提取，对性能产生不利影响。图1.3（a）钙钛矿器件结构示意图，（b）钙钛矿太阳能电池的工作原理[38]Fig.1.3(a)Schematicillustrationofperovskitedevicestructure,(b)workingprincipleofperovskitesolarcells[38]1.2.4钙钛矿太阳能电池的结构PV中使用的第一批OMHPs被用作DSSCs中染料敏化剂的直接替代品[13,39]。典型的DSSCs结构采用几微米厚的多孔TiO2层，该层被吸收剂染料材料涂覆并渗透。电极组件与包含氧化还原对的液体电解质接触[40]。在这些器件中，TiO2用于收集和传输电子，而电解质则充当空穴导体。最初的钙钛矿太阳能电池是从这种相同的结构演变而来的，而OMHP材料只是充当染料的替代品[9,22]。当所谓的介观器件结构出现时，人们的兴趣增加了。图1.4（a）是通过用固态空穴导体代替液体电解质而形成的[9,22]。这一进步引起了PV界的极大兴趣，并吸引了薄膜PV和OPV界的专家。结果，开发了其中将OMHP吸收剂夹在电子和空穴传输材料（ETM和HTM）之间的平面器件结构。根据首先遇到的是哪种传输材料，这些平面结构可以分为常规的n-i-p图1.4（b）或倒置的p-i-n图1.4（c）结构。最近，还开发了介观的p-i-n结构图1.4（d）[41,42]。由于工艺上的差异，器件结构决定了电荷传输（ETM和HTM）和收集（阴极和阳极）材料的选择，相应的材料制备方法，以及器件的性能。迄今为止，由于透明导电氧化物（TCO）的常规沉积技术可能导致OMHP表面的分解，因此尚未在不透明的基底（例如，Ti箔）上构建具有显著效率的钙钛矿器件[43,44]。1.2.4.1常规n-i-p结构介观n-i-p结构是钙钛矿PV器件的原始体系结构，至今仍广泛用于制造高?
本文编号：3374038
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