带隙可调钙钛矿太阳能电池绿色制备工艺及性能研究
发布时间：2021-11-28 12:48
近十年内,钙钛矿太阳能电池光电转换效率从3.8%迅速增长到25.2%,效率已可与传统硅太阳能电池媲美,展示出极佳的商业应用前景与价值。其中,钙钛矿吸光材料是电池核心,具有极佳的光吸收特性,较小的激子束缚能,独特的双载流子,高载流子迁移率以及可调的光学带隙等特性,备受研究者们的关注。本论文主要聚焦于钙钛矿太阳能电池材料的带隙调控及低毒制备工艺,针对钙钛矿太阳能电池吸光层的组分调控与制备方法,以及新的无毒稳定空穴传输层材料制备与应用等科学问题开展研究工作。主要研究内容及结论如下:1.发明了一种高效稳定甲胺铅碘钙钛矿薄膜及电池的绿色混合反溶剂法制备工艺。利用一种简单的绿色混合反溶剂的方法,通过选用乙酸乙酯及异丙醇替代传统钙钛矿太阳能电池制备工艺中常用的有毒的氯苯为混合反溶剂,最终得到了均一致密且晶界较少的高质量钙钛矿薄膜,并研究了相应的钙钛矿太阳能电池性能。其中,深入探讨了不同组分反溶剂的引入对钙钛矿薄膜光电性能的影响。通过混合反溶剂带来的晶粒增长效应,太阳能电池光电转换效率及稳定性有了明显提升,且器件回滞效应得到有效抑制。优化条件下,获得最佳光电转换效率为18.98%的反式平面钙钛矿太阳能...
【文章来源】：济南大学山东省
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
(a)有机无机杂化钙钦矿材料立方晶体结构；(b)MAPbI3的能带结构图
济南大学硕士学位论文31.1.2钙钛矿太阳能电池研究进展有机无机杂化钙钛矿材料最初应用于染料敏化电池太阳能电池中作为光活性层料，但由于出色的光电特性及更加理想的电池结构，其光器件效率早己超过敏化电池.Miyasaka课题组于2009年首先将有机无机杂化钙钛矿材料用作染料敏化太阳能电池中的吸光层，然而由于材料本身水稳定性较差，在含液态电解质的染料敏化电池器件中，器件光电转换效率仅为3.8%且电池稳定性较差[38]。之后，Park课题组通过优化制备工艺，得到了6.5%效率的以有机无机杂化钙钛矿材料为吸光层的染料敏化电池器件。但由于器件制备过程中仍使用液态电解液作为载流子的提取及传输介质，器件的稳定性问题仍未得到有效解决[39]。2012年，Grazel等通过对器件制备工艺进行优化，同时抛弃染料敏化电池中常用的液态电解液而选取新的空穴传输材料作为传输介质，首次制备了9%光电转换效率的全固态的钙钛矿太阳能电池，且稳定性得到大幅提升[40]。之后，Gratzel等以染料敏化电池中常用的多孔Ti02为钙钛矿填充材料，获得了效率超过12%的全固态介孔结构的钙钛矿太阳能电池[41]。为了更深一步了解钙钛矿太阳能电池器件原理，简化制备方法，Snaith等抛弃了经典Ti02介孔结构，以有机空穴传输材料spiro-OMeTAD为空穴传输层，通过采用双源共蒸发法在Ti02致密层上制备了钙钛矿吸光层，首次提出了n-i-p型平面异质结钙钛矿太阳能电池[42]。此后钙钛矿太阳能电池的发展步入快车道，至今已达最高光电转换效率25.2%。相应各类太阳能电池最高光电转换效率如图所示：图1.2美国国家可再生能源实验室（NREL）认证光伏电池效率发展示意图[111]
带隙可调钙钛矿太阳能电池绿色制备工艺及性能研究6图1.3（a）多步旋涂法及（b）真空双源共蒸法制备CsPbBr3薄膜CsPbBr3是潜在的适用于商业化大面积制备的稳定性极佳的钙钛矿材料。相比于CsPbI3而言，CsPbBr3室温下拥有极佳的稳定性。但由于铯盐在有机溶剂中较低的溶解度，传统一步成膜法制备不适用于高性能钙钛矿太阳能电池器件的制备[63]。针对此问题，Tang课题组报道了多步成膜法制备含溴的全无机钙钛矿CsPbBr3薄膜。其制备过程如图1.3（a）所示：通过在TiO2介孔衬底上制备PbBr2后重复旋涂CsBr并依次退火，最终获得了光电转换效率为9.72%的钙钛矿太阳能电池[64]。然而由于CsPbBr3薄膜多步旋涂法工艺繁琐，因此不利于此类电池进一步商业化应用。为解决此问题，真空双源气相沉积[67]、脉冲激光沉积等[68]物理气相法逐步被引入到CsPbBr3薄膜的制备中，在降低工艺繁琐程度的同时，避免了液相法中DMF等有毒溶剂的使用，为纯无机钙钛矿太阳能电池商业化发展提供了有效途径。1.3本论文研究内容本论文主要聚焦于钙钛矿太阳能电池低毒制备工艺，针对钙钛矿太阳能电池吸光层的组分调控及制备方法，以及新的无毒稳定空穴传输层材料制备与应用等科学问题进行了系统分析与研究。通过液相法与气相法等钙钛矿材料制备方法的创新与优化，获得了高质量的目标钙钛矿薄膜材料，进而提升了电池器件的光电转换效率，主要开展了以下研究工作：1.利用绿色混合反溶剂工程在降低器件制备过程中有毒溶剂使用的同时，得到了致密均一的高质量MAPbI3钙钛矿薄膜，并获得了高性能的钙钛矿太阳能电池。通过对反溶剂组分加以控制，实现了钙钛矿薄膜晶粒尺度的调控。利用扫描电子显微镜(SEM)，X射线衍射（XRD)、光吸收谱(ABS)、稳态光致发光谱(PL)及瞬态荧光光谱(TRPL)对材料的?
【参考文献】：
期刊论文
[1]金属表面等离子体增强半导体纳米材料光催化机理研究进展[J]. 方明,谭小丽. 南通大学学报(自然科学版). 2019(02)
[2]基于印刷技术制备钙钛矿太阳电池[J]. 李恒月,龚辰迪,黄可卿,阳军亮. 材料导报. 2018(09)
本文编号：3524454
【文章来源】：济南大学山东省
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
(a)有机无机杂化钙钦矿材料立方晶体结构；(b)MAPbI3的能带结构图
济南大学硕士学位论文31.1.2钙钛矿太阳能电池研究进展有机无机杂化钙钛矿材料最初应用于染料敏化电池太阳能电池中作为光活性层料，但由于出色的光电特性及更加理想的电池结构，其光器件效率早己超过敏化电池.Miyasaka课题组于2009年首先将有机无机杂化钙钛矿材料用作染料敏化太阳能电池中的吸光层，然而由于材料本身水稳定性较差，在含液态电解质的染料敏化电池器件中，器件光电转换效率仅为3.8%且电池稳定性较差[38]。之后，Park课题组通过优化制备工艺，得到了6.5%效率的以有机无机杂化钙钛矿材料为吸光层的染料敏化电池器件。但由于器件制备过程中仍使用液态电解液作为载流子的提取及传输介质，器件的稳定性问题仍未得到有效解决[39]。2012年，Grazel等通过对器件制备工艺进行优化，同时抛弃染料敏化电池中常用的液态电解液而选取新的空穴传输材料作为传输介质，首次制备了9%光电转换效率的全固态的钙钛矿太阳能电池，且稳定性得到大幅提升[40]。之后，Gratzel等以染料敏化电池中常用的多孔Ti02为钙钛矿填充材料，获得了效率超过12%的全固态介孔结构的钙钛矿太阳能电池[41]。为了更深一步了解钙钛矿太阳能电池器件原理，简化制备方法，Snaith等抛弃了经典Ti02介孔结构，以有机空穴传输材料spiro-OMeTAD为空穴传输层，通过采用双源共蒸发法在Ti02致密层上制备了钙钛矿吸光层，首次提出了n-i-p型平面异质结钙钛矿太阳能电池[42]。此后钙钛矿太阳能电池的发展步入快车道，至今已达最高光电转换效率25.2%。相应各类太阳能电池最高光电转换效率如图所示：图1.2美国国家可再生能源实验室（NREL）认证光伏电池效率发展示意图[111]
带隙可调钙钛矿太阳能电池绿色制备工艺及性能研究6图1.3（a）多步旋涂法及（b）真空双源共蒸法制备CsPbBr3薄膜CsPbBr3是潜在的适用于商业化大面积制备的稳定性极佳的钙钛矿材料。相比于CsPbI3而言，CsPbBr3室温下拥有极佳的稳定性。但由于铯盐在有机溶剂中较低的溶解度，传统一步成膜法制备不适用于高性能钙钛矿太阳能电池器件的制备[63]。针对此问题，Tang课题组报道了多步成膜法制备含溴的全无机钙钛矿CsPbBr3薄膜。其制备过程如图1.3（a）所示：通过在TiO2介孔衬底上制备PbBr2后重复旋涂CsBr并依次退火，最终获得了光电转换效率为9.72%的钙钛矿太阳能电池[64]。然而由于CsPbBr3薄膜多步旋涂法工艺繁琐，因此不利于此类电池进一步商业化应用。为解决此问题，真空双源气相沉积[67]、脉冲激光沉积等[68]物理气相法逐步被引入到CsPbBr3薄膜的制备中，在降低工艺繁琐程度的同时，避免了液相法中DMF等有毒溶剂的使用，为纯无机钙钛矿太阳能电池商业化发展提供了有效途径。1.3本论文研究内容本论文主要聚焦于钙钛矿太阳能电池低毒制备工艺，针对钙钛矿太阳能电池吸光层的组分调控及制备方法，以及新的无毒稳定空穴传输层材料制备与应用等科学问题进行了系统分析与研究。通过液相法与气相法等钙钛矿材料制备方法的创新与优化，获得了高质量的目标钙钛矿薄膜材料，进而提升了电池器件的光电转换效率，主要开展了以下研究工作：1.利用绿色混合反溶剂工程在降低器件制备过程中有毒溶剂使用的同时，得到了致密均一的高质量MAPbI3钙钛矿薄膜，并获得了高性能的钙钛矿太阳能电池。通过对反溶剂组分加以控制，实现了钙钛矿薄膜晶粒尺度的调控。利用扫描电子显微镜(SEM)，X射线衍射（XRD)、光吸收谱(ABS)、稳态光致发光谱(PL)及瞬态荧光光谱(TRPL)对材料的?
【参考文献】：
期刊论文
[1]金属表面等离子体增强半导体纳米材料光催化机理研究进展[J]. 方明,谭小丽. 南通大学学报(自然科学版). 2019(02)
[2]基于印刷技术制备钙钛矿太阳电池[J]. 李恒月,龚辰迪,黄可卿,阳军亮. 材料导报. 2018(09)
本文编号：3524454
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