界面工程对钙钛矿太阳能电池载流子传输性能的影响
发布时间：2022-01-24 21:53
随着信息时代的爆发,人们对于能源的需求日益增长。化石能源的枯竭及其对人类居住环境的破坏,使得人类对于新型清洁能源的探索和开发日益迫切。太阳光作为清洁能源因为储量巨大取之不竭,成为世界各地研究者关注的焦点。对于太阳能的开发可以用将是解决能源危机的重要支柱,钙钛矿太阳能电池（PSCs）自问世以来得到飞速发展。钙钛矿材料拥有较宽的带隙调解范围、大于1μm的载流子扩散长度和优秀的光吸收系数等优势,使其光电转化效率十年突破到25.2%。但还是存在诸多问题:有机无机杂化材料存在诸多缺陷、光生电子和光生空穴的有效传输等仍需进一步提升。本文主要通过界面工程来调节电子传输层（ETL）能级结构,提高界面处载流子的传输性能;通过优化TiO2薄膜促进钙钛矿薄膜的生长,减少非辐射复合中心;界面修饰钝化钙钛矿薄膜缺陷,改善薄膜质量提高载流子传输性能,制备高性能稳定的PSCs。主要结论如下:（1）提出了一种用氟化铵（NH4F）修饰钙钛矿层与ETL界面的方法。TiO2薄膜经NH4F改性后,ETL和钙钛矿的界面缺陷得到缓解和钝化,载...
【文章来源】：华侨大学福建省
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
各类太阳能电池效率统计图
华侨大学硕士学位论文4（1.1）RA、RB、RX分别是对应元素的离子半径，当t在0.81~1.11时钙钛矿具有稳定的晶格结构；但后来研究表明只有t并不能确定晶形结构，有引入八面体因子μ共同判断，计算公式（1.2）：(1.2)当μ属于0.44~0.99，并且t在0.81~1.11之间时钙钛矿晶体对称较好，拥有稳定的三维晶体结构。此外，当材料是四方钙钛矿的共生型结构（R2An1BnX3n+1）时，而有机阳离子（R）的尺寸超出了容限因子的限制(n为八面体层数)，将得到稳定的二维或准二维钙钛矿结构[14-17]。通常来讲，A原子本身不会对钙钛矿禁带宽度Eg产生影响，其离子半径的大小将导致整个晶格的膨胀或收缩，从而改变[BX6]4—的键长和键角，进而影响钙钛矿材料的Eg。因此可以通过改变A、B和X的组分来调控钙钛矿晶体的结构和能级位置，进一步优化PSCs的光伏性能。图1.2钙钛矿晶体结构1.3.2PSCs器件结构通常认为PSCs是从染料敏化太阳能电池发展过来的，Miyasaka团队[12]用CH3NH3PbI3取代染料做敏化材料制备了第一块后来被称之为PSCs的器件，但由于CH3NH3PbI3易溶于电解质中，光稳定性较差没能引起大家重视。直到Kim等人[18]把Spiro-OMeTAD固态空穴传输材料取代液态电解质制备出稳定高效的
2的厚度，用钙钛矿层使其与HTL隔绝开来[19]，既避免了载流子的复合还增加了对电子的提取能力，钙钛矿的光伏效率又迈上一个新的台阶。目前基于图1.3（c）介孔结构的PSCs最高效率超过22.1%[20]。随着研究的深入，人们并不满足于需要高温烧结m-TiO2才能制备高效率的PSCs，于是转向平面结构电池的开发。Snaith首次尝试平面结构器件取得了4.9%的光电转化效率（PCE）；随后他们又通过双源蒸发的方式优化钙钛矿薄膜的沉积，使得平面电池的PCE突破至15.4%[21]，摆脱了器件需要高温烧结m-TiO2的限制，为PSCs开辟了更加广阔的空间。图1.3PSCs结构示意图：（a）敏化结构（b）平面结构；（c）介孔结构；1.4PSCs的工作原理研究表明钙钛矿属于本征半导体，自身既能传导电子也能传输空穴。由于钙钛矿激子结合能较低，光照产生的载流子很容易分离电子和空穴，分别传递到透明电极和金属对电极形成回路，实现光电转化[22]。但由于载流子不能有效传递，在表面聚集后发生复合，导致器件效率底下。于是我们分别引入ETL和HTL辅助光生电子和空穴的传输，减少载流子因在钙钛矿表面聚集而发生的复合。基于此，高效PSCs都是在结构以FTO或ITO/ETL/Perovkite/HTL/Au或Ag为基础组装的器件[23]。PSCs的理论开路电压是ETL的CB轨道和HTL的HOMO轨道之间的能极差，但由于钙钛矿自身缺陷和界面处的载流子复合等问题会严重影响器件的性能[19,24-26]。因此，处理好这些因器件结构而形成的诸多界面（ITO/ETL、ETL/Perovkite、Perovkite/HTL、HTL/Au）问题，是增大载流子传输性能，增加辐射复合概率，制备出高性能器件的关键。
本文编号：3607364
【文章来源】：华侨大学福建省
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
各类太阳能电池效率统计图
华侨大学硕士学位论文4（1.1）RA、RB、RX分别是对应元素的离子半径，当t在0.81~1.11时钙钛矿具有稳定的晶格结构；但后来研究表明只有t并不能确定晶形结构，有引入八面体因子μ共同判断，计算公式（1.2）：(1.2)当μ属于0.44~0.99，并且t在0.81~1.11之间时钙钛矿晶体对称较好，拥有稳定的三维晶体结构。此外，当材料是四方钙钛矿的共生型结构（R2An1BnX3n+1）时，而有机阳离子（R）的尺寸超出了容限因子的限制(n为八面体层数)，将得到稳定的二维或准二维钙钛矿结构[14-17]。通常来讲，A原子本身不会对钙钛矿禁带宽度Eg产生影响，其离子半径的大小将导致整个晶格的膨胀或收缩，从而改变[BX6]4—的键长和键角，进而影响钙钛矿材料的Eg。因此可以通过改变A、B和X的组分来调控钙钛矿晶体的结构和能级位置，进一步优化PSCs的光伏性能。图1.2钙钛矿晶体结构1.3.2PSCs器件结构通常认为PSCs是从染料敏化太阳能电池发展过来的，Miyasaka团队[12]用CH3NH3PbI3取代染料做敏化材料制备了第一块后来被称之为PSCs的器件，但由于CH3NH3PbI3易溶于电解质中，光稳定性较差没能引起大家重视。直到Kim等人[18]把Spiro-OMeTAD固态空穴传输材料取代液态电解质制备出稳定高效的
2的厚度，用钙钛矿层使其与HTL隔绝开来[19]，既避免了载流子的复合还增加了对电子的提取能力，钙钛矿的光伏效率又迈上一个新的台阶。目前基于图1.3（c）介孔结构的PSCs最高效率超过22.1%[20]。随着研究的深入，人们并不满足于需要高温烧结m-TiO2才能制备高效率的PSCs，于是转向平面结构电池的开发。Snaith首次尝试平面结构器件取得了4.9%的光电转化效率（PCE）；随后他们又通过双源蒸发的方式优化钙钛矿薄膜的沉积，使得平面电池的PCE突破至15.4%[21]，摆脱了器件需要高温烧结m-TiO2的限制，为PSCs开辟了更加广阔的空间。图1.3PSCs结构示意图：（a）敏化结构（b）平面结构；（c）介孔结构；1.4PSCs的工作原理研究表明钙钛矿属于本征半导体，自身既能传导电子也能传输空穴。由于钙钛矿激子结合能较低，光照产生的载流子很容易分离电子和空穴，分别传递到透明电极和金属对电极形成回路，实现光电转化[22]。但由于载流子不能有效传递，在表面聚集后发生复合，导致器件效率底下。于是我们分别引入ETL和HTL辅助光生电子和空穴的传输，减少载流子因在钙钛矿表面聚集而发生的复合。基于此，高效PSCs都是在结构以FTO或ITO/ETL/Perovkite/HTL/Au或Ag为基础组装的器件[23]。PSCs的理论开路电压是ETL的CB轨道和HTL的HOMO轨道之间的能极差，但由于钙钛矿自身缺陷和界面处的载流子复合等问题会严重影响器件的性能[19,24-26]。因此，处理好这些因器件结构而形成的诸多界面（ITO/ETL、ETL/Perovkite、Perovkite/HTL、HTL/Au）问题，是增大载流子传输性能，增加辐射复合概率，制备出高性能器件的关键。
本文编号：3607364
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