氨基戊酸碱式盐掺杂对钙钛矿太阳能电池性能的影响研究

发布时间：2020-03-25 13:52

【摘要】：近些年来,能源短缺的问题已经成为阻碍全球经济发展和引发世界局部战争的关键因素。各国不约而同地把发展的方向转向了可再生能源,其中,以清洁环保、资源丰富的太阳能为代表的新能源最为引人注目。钙钛矿太阳能电池是一种新型第三代光伏技术。在短短数年之内,其光电转化效率便从9.7%跃升至22.7%是目前效率提升最为迅速的光伏体系。总体上,钙钛矿太阳能电池结构可以分为介孔结构和平板结构。近年来,一种新兴的介孔型钙钛矿太阳能电池使用介孔碳作为背电极,其制作方法简单、所用材料成本低,实现了钙钛矿太阳能电池连续生产工艺和低成本的完美结合,具有巨大的应用前景。本论文便是以基于碳电极的钙钛矿太阳能电池为研究目标,通过引入不同的氨基戊酸碱式盐作为钙钛矿材料的添加剂,探究两性有机分子的碱式水解产物对器件性能的影响规律。实验内容主要包括以下三个方面:(1)确定碳单基板结构钙钛矿太阳能电池最优的制备方法。首先,针对电池的烘干条件进行了实验探索,采用不同的加热方式和加热时间对器件进行处理,最终在铝基加热台上烘6小时得到的器件光电性能最好,对应器件的短路电流、电压及填充因子数值都较高,电池效率达到了11.48%。这种加热方式使得器件受热均匀且集中,器件内部溶剂的挥发更顺利因而有利于钙钛矿晶体的生长,并且使得钙钛矿填充地更加完全和均匀。(2)在MAPbI_3钙钛矿溶液中引入氨基戊酸碱式盐(有机碱)。将5-氨基戊酸分别与甲胺和乙胺反应制得了CH_3NH_3-(5-AVA)和C_2H_5NH_3-(5-AVA),并将其引入到了钙钛矿前驱体溶液当中,制备的器件相较于掺杂了I-(5-AVA)的(5-AVA)_xMA_(1-x)PbI_3型钙钛矿太阳能电池的电学性能并没有提高,反而降低。引入的物质对钙钛矿晶体的生长并没有起到明显地积极作用。(3)在MAPbI_3钙钛矿溶液中引入氨基戊酸碱式盐(无机碱)。将5-氨基戊酸与无机碱(NH_4OH、NaOH、KOH、RbOH、CsOH)进行反应,合成了一系列氨基戊酸无机碱式盐,并作为添加剂改性MAPbI_3钙钛矿太阳能电池。通过对电池进行J-V曲线的测试和对材料进行其他的表征与测试,确定了这些无机碱式盐中,Cs-(5-AVA)的引入对钙钛矿晶体的生长起到了改善作用,掺杂了Cs-(5-AVA)的Cs_xMA_(1-x)PbI_(3-x)(5-AVA)_x钙钛矿太阳能电池的电学性能优良,最优器件的光电转换效率达到了12.19%。在实验过程中通过对电池进行不同的加热处理,发现其具有优异地热稳定性,在100℃热台上加热500小时,器件仍可以保持88%的初始效率。XRD图谱也证实了Cs_xMA_(1-x)-x PbI_(3-x)(5-AVA)_x钙钛矿确实在加热状态下分解速度缓慢。将Cs-(5-AVA)引入后,MAPbI_3钙钛矿结晶在生长过程中,5-AVA作为模板,引导3D钙钛矿材料形成大量2D/3D界面,有效地抑制了离子的迁移。同时,Cs~+与I~-结合,两者之间具有非常强的结合能,因此I~-的迁移受到了Cs~+的限制,使得MAPbI_3钙钛矿获得了很好的热稳定性。
【图文】：

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池制备工艺过程十分复杂，极大地限制了其发第二代多元化合物薄膜太阳能电池，主要是 Te[13]太阳能电池等。这类太阳能电池光电转换效电池的制备过程非常简便，所需原材料较少，但这类电池所使用的材料含有稀有金属，储量性，极大地制约了这类太阳能电池的应用；第钙钛矿太阳能电池、量子点太阳能电池和有机池。该类太阳能电池使用的材料成本低、生产新兴的杂化钙钛矿太阳能电池更是在短短的时%[14]，，这种增长速度是在其他太阳能电池发展过新型薄膜太阳能电池大多还处在实验室研发阶正实现大规模的商业化生产，还有很长的路要电池的工作原理

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图 1-2 太阳能电池的 J-V 曲线段，太阳能电池的性能表征主要是在模拟的一个标准太阳光变化的电压，测量对应的电流密度，得到的伏安特性曲线，即。通过曲线可以得到几个常用参数：开路电压（Voc）电压是相对于负载电压来说的，指没有接上负载时测量出来要是与 P 型材料和 N 型材料的准费米能级差有关，也与电池的接触情况和电池中电荷的复合有关。短路电流（Jsc）电流是指电池在发生短路这种条件下在电池中形成闭合回路与对应制备电池的材料的带隙关联密切。最大功率（Pmax）能电池的每一个偏压V，都对应太阳能电池的一个输出功率P（电池的最大输出功率则对应了这个太阳能电池的伏安特性曲
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM914.4

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