半透明钙钛矿太阳能电池的制备研究
发布时间：2021-11-07 16:55
近年来,晶硅太阳能电池的光电转换效率愈加接近理论极限,为了提高光子能量的利用效率,叠层太阳能电池的研究受到了越来越多的关注。经过几年的迅速发展,钙钛矿太阳能电池的效率已经跃升至25.2%,被认为是与硅太阳能电池组成叠层的理想材料。因此,为了能与硅组成叠层太阳能电池,需要对双面透光的半透明钙钛矿太阳能电池进行研究。本文对半透明钙钛矿太阳能电池的相关制备工艺和性能优化进行了研究。通过对常温下ITO薄膜溅射工艺的研究,得到了满足器件电学、光学性能要求的ITO薄膜;使用MoO3辅助层,成功制备了半透明钙钛矿太阳能电池;使用无机空穴传输层CuSCN代替有机空穴传输层,制备了无辅助层的半透明钙钛矿太阳能电池;最后为了提高CuSCN基的钙钛矿太阳能电池工作稳定性,对CuSCN和电极的界面进行了研究,分析了反应过程和对器件性能的影响机理。取得的研究成果如下:（1）研究了常温溅射条件下溅射时长对ITO薄膜方阻的影响,得到了方阻满足需求的ITO薄膜。研究了溅射电压对ITO薄膜电学性能的影响,对其优化后避免了薄膜载流子不足及O断键过多的问题。研究了溅射气氛中氧分压对ITO薄膜电学性能的...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
(a)各个国家的可再生能源投资对比；(b)近几十年太阳能发电与传统能源发电的价格成
第一章绪论3吸收剩下的光子，可以有效收集亚带隙光子和利用光子的能量。这样的器件中结构最直观、简单的就是叠层太阳能电池。晶硅太阳能电池电池的禁带宽度约在1.1eV左右，同时能够提供高达750mV的开路电压，是一种理想的窄禁带太阳能电池[29]。另外，以晶硅电池为基底制备叠层太阳能电池，也是出于与现有车间工艺流程兼容，快速、简便地实现商业化应用的考虑。而要寻找合适的宽禁带太阳能电池则相对更加困难。Ⅲ-Ⅴ族吸光层材料由于它的高效率和可调的禁带宽度，其与晶硅组成的叠层太阳能电池已经受到了一些关注和研究[30]。但这一类太阳能电池的成本过高，与目前晶硅电池的市场定位不匹配，难以得到广泛应用。在新的太阳能电池不断涌现的过程中，钙钛矿太阳能电池脱颖而出，被认为是最适合与晶硅组成叠层太阳能电池的材料之一。首先，其光电转换效率不断取得突破，现在已经达到了25.2%，同时国际上高效率的钙钛矿太阳能电池的报道也在迅速增多。此外，钙钛矿材料具有优异的光电性能，包括高吸光系数，较弱的亚带隙吸收以及尖锐的吸收边[31]。对于钙钛矿太阳能电池来说，其吸光范围在大范围可调[32]，开路电压损失小[33]，将来有望实现低成本、大规模生产，这些都使其成为了理想的叠层太阳能电池组成部分。目前，硅/钙钛矿太阳能电池的研究受到了许多国际知名课题组和企业的关注，效率记录也在几年间从不足20%上升到了25.2%，有望成为未来突破晶硅太阳电池效率极限的关键。图1.2美国国家可再生能源实验室统计认证的各种电池的最高效率。Figure1.2BestefficienciesofsolarcellscollectedbyNationalRenewableEnergyLaboratory(NREL)[4].
第一章绪论5和隧穿结[47,48]等。之后，需要进一步进行钙钛矿太阳能电池的制备。对于电子传输层，常用的做法是使用无机氧化物的纳米晶进行溶液法制备，如TiO2、SnO2等，为了克服硅片表面粗糙度大，兼容大规模生产等目的，也有使用气相沉积方法进行生长的选择。同样的，钙钛矿吸光层和空穴传输层也都可以通过旋涂和气相沉积的方法进行制备，其中空穴传输层主要使用spiro-OMeTAD和NiOx纳米晶。在制备顶部透明电极之前，需要在空穴传输层上蒸镀一层MoO3复合层，以满足能带匹配的需要，保护脆弱的有机传输层不被破坏。最后，通过溅射的方法制备一层透明导电电极，如ITO、IZO等，并通过蒸镀金属栅电极来减小横向传输的电阻。图1.3硅/钙钛矿叠层太阳能电池的结构示意图：(a)四端叠层太阳能电池；(b)两端叠层太阳能电池。Figure1.3Schematicsoftandemsilicon/perovskitearchitectures:(a)four-terminalmechanicallystacked;(b)two-terminalmonolithicallyintegrated[49].1.2.2性能优化相对于43%的理论效率极限[50]，目前的叠层太阳能电池的光电转换效率仍有较大的提升空间。理想状况下，高能量的光子应被叠层的顶部电池所吸收，而由底部电池吸收剩下的光子。实际上，来自透明电极、载流子传输层、复合层的寄生吸收会显著影响电池的性能。同时，反射损失、钙钛矿材料的能带和厚度不匹配等都将降低叠层电池的性能。在钙钛矿电池部分的制备过程中，还需要考虑工艺过程中退火温度的问题。对于HIT电池来说，能够耐受的最高温度约在200℃左右。而常用的电子传输
本文编号：3482216
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
(a)各个国家的可再生能源投资对比；(b)近几十年太阳能发电与传统能源发电的价格成
第一章绪论3吸收剩下的光子，可以有效收集亚带隙光子和利用光子的能量。这样的器件中结构最直观、简单的就是叠层太阳能电池。晶硅太阳能电池电池的禁带宽度约在1.1eV左右，同时能够提供高达750mV的开路电压，是一种理想的窄禁带太阳能电池[29]。另外，以晶硅电池为基底制备叠层太阳能电池，也是出于与现有车间工艺流程兼容，快速、简便地实现商业化应用的考虑。而要寻找合适的宽禁带太阳能电池则相对更加困难。Ⅲ-Ⅴ族吸光层材料由于它的高效率和可调的禁带宽度，其与晶硅组成的叠层太阳能电池已经受到了一些关注和研究[30]。但这一类太阳能电池的成本过高，与目前晶硅电池的市场定位不匹配，难以得到广泛应用。在新的太阳能电池不断涌现的过程中，钙钛矿太阳能电池脱颖而出，被认为是最适合与晶硅组成叠层太阳能电池的材料之一。首先，其光电转换效率不断取得突破，现在已经达到了25.2%，同时国际上高效率的钙钛矿太阳能电池的报道也在迅速增多。此外，钙钛矿材料具有优异的光电性能，包括高吸光系数，较弱的亚带隙吸收以及尖锐的吸收边[31]。对于钙钛矿太阳能电池来说，其吸光范围在大范围可调[32]，开路电压损失小[33]，将来有望实现低成本、大规模生产，这些都使其成为了理想的叠层太阳能电池组成部分。目前，硅/钙钛矿太阳能电池的研究受到了许多国际知名课题组和企业的关注，效率记录也在几年间从不足20%上升到了25.2%，有望成为未来突破晶硅太阳电池效率极限的关键。图1.2美国国家可再生能源实验室统计认证的各种电池的最高效率。Figure1.2BestefficienciesofsolarcellscollectedbyNationalRenewableEnergyLaboratory(NREL)[4].
第一章绪论5和隧穿结[47,48]等。之后，需要进一步进行钙钛矿太阳能电池的制备。对于电子传输层，常用的做法是使用无机氧化物的纳米晶进行溶液法制备，如TiO2、SnO2等，为了克服硅片表面粗糙度大，兼容大规模生产等目的，也有使用气相沉积方法进行生长的选择。同样的，钙钛矿吸光层和空穴传输层也都可以通过旋涂和气相沉积的方法进行制备，其中空穴传输层主要使用spiro-OMeTAD和NiOx纳米晶。在制备顶部透明电极之前，需要在空穴传输层上蒸镀一层MoO3复合层，以满足能带匹配的需要，保护脆弱的有机传输层不被破坏。最后，通过溅射的方法制备一层透明导电电极，如ITO、IZO等，并通过蒸镀金属栅电极来减小横向传输的电阻。图1.3硅/钙钛矿叠层太阳能电池的结构示意图：(a)四端叠层太阳能电池；(b)两端叠层太阳能电池。Figure1.3Schematicsoftandemsilicon/perovskitearchitectures:(a)four-terminalmechanicallystacked;(b)two-terminalmonolithicallyintegrated[49].1.2.2性能优化相对于43%的理论效率极限[50]，目前的叠层太阳能电池的光电转换效率仍有较大的提升空间。理想状况下，高能量的光子应被叠层的顶部电池所吸收，而由底部电池吸收剩下的光子。实际上，来自透明电极、载流子传输层、复合层的寄生吸收会显著影响电池的性能。同时，反射损失、钙钛矿材料的能带和厚度不匹配等都将降低叠层电池的性能。在钙钛矿电池部分的制备过程中，还需要考虑工艺过程中退火温度的问题。对于HIT电池来说，能够耐受的最高温度约在200℃左右。而常用的电子传输
本文编号：3482216
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