钙钛矿太阳能电池中电子空穴传输层的研究

发布时间：2017-06-13 07:03

  本文关键词：钙钛矿太阳能电池中电子空穴传输层的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：新世纪以来全球经济飞速发展,人口不断增加,能源供需矛盾恶化,能源危机制约着全球经济的进一步发展。太阳能以其分布广泛、清洁、可再生等特点而被公认为最具前景的新能源之一。太阳能电池基于光伏效应将光能转化为电能被人们所利用。因此开发低成本高效太阳能电池是实现太阳能资源利用的技术基础。在近几年来钙钛矿太阳能电池因具有高效、低成本、制备工艺简单等优点引起了广泛关注。有机无机卤素铅钙钛矿材料的结构为CH3NH3PbX3,其中X为碘、氯、溴或为它们之间的混合物。钙钛矿材料拥有理想的光学带隙、较高的吸光系数、长的载流子传输距离等特点。短短几年之内钙钛矿电池的光电转化效率从最初的3.8%迅速增长到21.02%,呈现出巨大的研究价值。本文首先对以CH3NH3PbI3-xClx为吸光层的平面异质结钙钛矿电池和以CH3NH3PbI3为吸光层的体异质结钙钛矿电池分别进行了组装和优化。在对两种类型钙钛矿电池进行组装和优化中,确定了以喷雾热解二异丙氧基双乙酰丙酮钛制备的二氧化钛电子传输层的效果最佳,但是两种类型的钙钛矿电池中电子传输层的最优厚度不同。在制备CH3NH3PbI3-xClx吸光层时确定了以程序退火法100℃下退火90min钙钛矿薄膜致密匀一缺陷较少。在制备CH3NH3PbI3吸光层时,确定碘化铅旋涂转速为5500转/分钟(r.p.m)和最佳浸泡在甲基碘化胺溶液中的时间为30s。通过上述优化,平面异质结钙钛矿电池获得了13.42%的光电转化效率,体异质结钙钛矿电池获得13.04%的光电转化效率。高效钙钛矿电池大多以二氧化钛为致密层,然而二氧化钛的光学和电学性质存在缺陷。在本文中首次通过钌掺杂改善二氧化钛光电性质,并以CH3NH3PbI3-xClx为吸光层制备了平面异质结钙钛矿电池。钌掺杂比例影响着器件性能,当掺杂浓度为0.01M时获得电池最高光电转化效率为15.70%,而未掺杂器件效率最高仅为13.42%。整流曲线表明了掺杂后致密层的整流效果增强。通过紫外可见光谱和紫外电子能谱表征了掺杂后半导体材料导带位置上移,使其与CH3NH3PbI3-xClx的导带更加匹配,减小了能量损失。通过电化学阻抗谱表征了掺杂后器件的串联电阻减小,并联电阻增大。降低的串联电阻表明电荷更加有效的正向传输,提高的并联电阻表明了更少的电子空穴复合。在本文中也对新型致密层进行了初步的探究,成功制备了锌锡氧多元氧化物。通过优化锌锡比例,制备出以CH3NH3PbI3-xClx为吸光层的钙钛矿电池获得最高光电转化效率达到9.58%,证明了锌锡氧三元氧化物可以作为致密层应用于钙钛矿电池之中。钙钛矿电池大多以Spiro-MeOTAD为空穴传输层,但其价格昂贵,并不是理想的空穴传输材料。因此在本文尝试采用廉价碘化亚铜为无机空穴传输层,以电化学沉积的方法制备碘化亚铜薄膜。并组装出反式钙钛矿太阳能电池,光电转化效率最高达到2.70%。
【关键词】：钙钛矿太阳电池 钌掺杂二氧化钛 锡锌氧多元氧化物 碘化亚铜
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-14
• 第一章 绪论14-28
• 1.1 太阳能电池研究的重要意义14
• 1.2 太阳能电池的发展历程14-19
• 1.2.1 晶体硅太阳能电池15-16
• 1.2.2 多元化合物薄膜电池16-17
• 1.2.3 新型太阳能电池17-19
• 1.3 钙钛矿太阳能电池简介19-26
• 1.3.1 钙钛矿电池的发展历程19-22
• 1.3.2 钙钛矿电池工作机理22-26
• 1.4 本论文的研究内容和意义26-28
• 第二章 钙钛矿太阳能电池的制备工艺与表征28-38
• 2.1 实验药品28-29
• 2.2 实验仪器29-30
• 2.3 钙钛矿太阳能电池制备工艺30-33
• 2.3.1 导电玻璃的刻蚀与清洗31
• 2.3.2 致密层制备31-32
• 2.3.3 介孔层制备32
• 2.3.4 钙钛矿层的制备32
• 2.3.5 空穴传输层的制备32-33
• 2.3.6 对电极的制备33
• 2.4 钙钛矿太阳能电池的表征33-36
• 2.4.1 太阳能电池的光伏曲线33-35
• 2.4.2 太阳能电池的入射单色光子-电子转化效率(IPCE)35-36
• 2.5 本章小结36-38
• 第三章 两种不同类型钙钛矿电池的组装与优化38-52
• 3.1 平面异质结钙钛矿电池的组装与优化38-46
• 3.1.1 致密层的优化38-43
• 3.1.2 钙钛矿层的优化43-46
• 3.2 体异质结钙钛矿电池的优化46-50
• 3.2.1 致密层的优化46-47
• 3.2.2 介孔层的优化47-48
• 3.2.3 钙钛矿层的优化48-50
• 3.3 本章小结50-52
• 第四章 以钌掺杂二氧化钛和锌锡氧多元氧化物为致密层的研究52-70
• 4.1 钉掺杂的二氧化钛提高平面异质结钙钛矿电池性能52-64
• 4.1.1 引言52
• 4.1.2 器件制备52
• 4.1.3 表征与测试52-53
• 4.1.4 结果与讨论53-64
• 4.2 锌锡氧三元氧化物致密层的研究64-68
• 4.2.1 引言64
• 4.2.2 实验部分64
• 4.2.3 结果与讨论64-68
• 4.3 本章小结68-70
• 第五章 以碘化亚铜为无机空穴传输层的研究70-76
• 5.1 引言70
• 5.2 实验部分70-71
• 5.2.1 电化学沉积法制备碘化亚铜70-71
• 5.2.2 反式钙钛矿太阳能电池组装71
• 5.3 结果与讨论71-75
• 5.4 本章小结75-76
• 第六章 结论与展望76-78
• 6.1 结论76-77
• 6.2 展望77-78
• 参考文献78-82
• 致谢82-84
• 研究成果及发表的学术论文84-86
• 导师和作者简介86-87
• 附件87-88

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 钱柳;丁黎明;;钙钛矿太阳电池的工作机理及性能的主要影响因素[J];高等学校化学学报;2015年04期

2 朱立峰;石将建;李冬梅;孟庆波;;多孔TiO_2层厚度对钙钛矿太阳能电池性能的影响[J];化学学报;2015年03期

3 孟庆波;;量子点太阳能电池技术概况[J];新材料产业;2013年03期

4 刘伟庆;寇东星;蔡墨朗;胡林华;戴松元;;染料敏化太阳电池阻抗特性研究[J];化学进展;2012年05期

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本文编号：445932