应用于高功率单色光转换的钙钛矿电池器件研究

发布时间：2020-03-23 02:43

【摘要】：单色光能量转换器件,也称激光电池,是一种将激光(或高能量密度单色光)能量转换为电能的特殊器件,作为激光无线能量传输技术的核心,具有重要的研究价值与广泛的应用前景。当前研究者对于激光电池的研究主要致力于以GaAs等Ⅲ-Ⅴ族半导体材料光伏电池为基础的效率测试以及器件优化设计,并未有基于材料层面的相关理论研究。激光电池工作的物理机理决定了该器件的两大重要特征:带边吸收和高注入,而钙钛矿材料以其一系列优良的特性:理想的直接带隙、带边态密度高、光吸收系数高、载流子寿命长、缺陷能级浅等,很好地契合了激光电池的要求,具有作为单色光能量转换应用的潜在优势。本文以有机无机杂化卤素钙钛矿材料及器件为基础,从材料层面出发,对其单色光能量转换特性开展了系统的研究。首先介绍了激光电池的物理机理及钙钛矿材料的优势。从能带理论出发,分析了激光电池工作的物理机理及其重要特征,结合文献调研的结果,得到有机无机杂化卤素钙钛矿材料作为单色光能量转换应用的主要优势。为了实现钙钛矿材料禁带宽度与特定波长的激光相匹配,系统开展了混合卤素钙钛矿材料(FA,MA)Pb(I,Br)3(FA:甲脒基,MA:甲胺基)禁带宽度调控的研究。混合卤素钙钛矿材料禁带宽度的调控是通过调节组分中卤素比例实现的。制备了相应的钙钛矿薄膜与电池器件,薄膜的光学表征以及器件的电学测试显示出,卤素成分的改变成功实现了对混合卤素钙钛矿材料禁带宽度从1.55 eV到1.8 eV的线性调节。在禁带宽度调控结果的基础上,重点开展了钙钛矿电池器件的单色光转换性能的研究。系统研究了不同禁带宽度的钙钛矿电池器件在特定波长激光(683nm、733nm、786 nm)下的光电转换特征,通过对带边附近单色光响应的分析,获得了钙钛矿器件在单色光能量转换过程中光谱响应特性;同时探究了不同能量密度条件下器件单色光能量转换性能的差异,获得了器件性能参数随单色光功率增加的变化规律,分析得出高能量密度条件下钙钛矿器件性能衰减的主要因素并提出了相应的解决方案。在683 nm、100 mW/cm2的单色光辐照条件下,钙钛矿器件获得了最高45%的光电转换效率。鉴于电池器件需长时间工作于高能量密度单色光下,对混合卤素钙钛矿材料及器件在特定波长单色光下的光致稳定性进行了研究,包括高强度单色光下钙钛矿材料的光致分解以及不同条件下的光致相分离现象。利用薄膜透过率及稳态光致发光(PL)谱等表征手段,分析了单色光下钙钛矿光致分解及相分离的主要机理及影响因素,并给出一系列抑制相分离的方法。本文基于有机无机杂化的混合卤素钙钛矿材料与器件,系统研究了其用于单色光能量转换过程中的禁带宽度调控、光谱响应特性、光电转换特征以及光致稳定性的一系列关键问题,并取得了诸多富有价值的结论。希望本文的研究结果可以为未来单色光能量转换技术的研究及发展起到一定的借鉴作用。
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１．１＿１激光电佭述逡逑近年来，越来越多的国家开始对太阳能空间基站（Ｓｐａｃｅ－ｂａｓｅｄ邋ｓｏｌａｒ邋ｐｏｗｅｒ）的建设感逡逑兴趣。如图１．１所示，建立太阳能空间基站主要是为了解决地面对太阳能利用的固有缺逡逑陷：由于大气层对太阳光辐射的散射和吸收，进入地球大气相当大的一部分太阳能（约逡逑５０？６０％）被耗散掉了，而在空间中进行太阳能收集的效率更高。该设想最早可以追溯到逡逑１９６８年，美国的Ｐｅｔｅｒ邋Ｅ．邋Ｇｌａｓｅｒ博士［１］首先提出，将太阳能空间基站建立在地球近地轨逡逑道上，该基站的作用是将接收到太阳光的能量充分地转化为电能，再通过激光器或换能逡逑器将能量以激光或微波的形式发射出去。在地面建立相应的接收站，进行能量的接收和逡逑转换，并将最终获得的电能进行储存和应用。该设想的核心就是无线能量传输技术。由逡逑于激光方向性强、能量集中、传输效率高，因此是一种理想的传输媒介。该技术要解决逡逑的核心问题之一即是接收端激光能量的高效率吸收和转化。逡逑—逡逑图１．１空间太阳能电站示意图〖２】逡逑激光电池的主要作用是吸收激光（单色光）并将光能转换为电能

应用于高功率单色光转换的钙钛矿电池器件研宄研究背景逡逑论探索逡逑激光光伏研[偟氖敲拦�国家航空航天局（ＮＡＳＡ）。１９８７年，Ｎ器件建立了理论模型，并进行了数值模拟，得到如下结论：Ｓ！光电池的转换效率可以高于５０％。早期的研究主要针对器的计算，１９９１年，ＮＡＳＡ的Ｌｅｗｉｓ研究中心［４］对太阳能电计算，并指出针对Ｓ１＊ＧａＡｓ应该由不同波长的激光来匹能的影响进行了分析。２００３年，１＜＃�

本文编号：2596048