基于硫化镉电子传输层的钙钛矿和量子点太阳能电池研究

发布时间：2020-03-26 20:13

【摘要】：硫化镉(CdS)是一种传统的金属硫化物n型半导体材料,具有较宽的禁带宽度(2.4eV),可作为电子传输层材料。与目前金属氧化物的电子传输层相比,CdS的成膜温度非常低,这使得CdS薄膜可以应用于柔性器件。与高纯度昂贵的有机n型半导体材料相比,CdS的制备成本十分廉价,并且制备工艺十分简单。本论文设计构建了CdS作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池和硫化铅(PbS)量子点太阳能电池。成果如下:1、采用化学水浴的方法制备出了致密平整,能够均匀的覆盖FTO基片的CdS薄膜,通过控制沉积时间,可以实现对CdS薄膜厚度的调节。采用化学水浴法和水热法分两步合成了一维的CdS纳米棒阵列结构,纳米棒垂直于FTO表面生长,直径在60-100 nm左右。通过调控反应的水热时间,可以实现对CdS纳米棒阵列密度的控制。CdS材料对于500nm以下波段的光具有一定的吸收作用,这与其本身的带隙有关。2、构建了CdS纳米棒阵列与有机-无机钙钛矿相结合的3D结构钙钛矿太阳能电池器件。采用物理化学气相沉积法制备钙钛矿层,实现了无溶液的钙钛矿制备过程,解决了溶液旋涂法造成的钙钛矿薄膜分解和覆盖率低等问题。同时该方法实现了钙钛矿层与CdS纳米棒阵列层的紧密结合。纳米棒提供一维的传输路径,促进了电子的传输。3D结构增加了异质结面积,从而利于了载流子的分离。纳米棒阵列的密度对钙钛矿电池的性能有着极大地影响。最终发现,水热时间为12小时,所构建的电池效率达到最大值为12.46%,开路电压为1.01V,短路电流为19.88mA cm~(-2),填充因子为62.06%。该效率相当于相同厚度CdS薄膜钙钛矿太阳能电池效率的4倍左右。经过4天的稳定性测试后,该结构电池仍能保持原有效率的73%。3、采用阳离子交换法制得高质量的PbS量子点,并构建了CdS薄膜与PbS量子点相结合的PbS量子点太阳能电池器件。采用价格低廉,毒性较弱的硫粉取代价格昂贵、毒性强、挥发性强的六甲基二硅硫烷为初始硫源,合成CdS量子点。通过控制被交换的CdS量子点的尺寸和浓度,合成了尺寸为2-4 nm的高质量PbS量子点。使用四丁基碘化胺和乙二硫醇两种配体对PbS量子点表面进行修饰。通过对CdS层厚度和PbS层数的调节,最后实现了0.36V的开路电压,24.45mA cm~(-2)的短路电流,36.12%的填充因子,3.18%的电池效率。并且该电池在经过30天的稳定性测试后,电池效率基本保持不变。
【图文】：

图 1.1 晶体硅太阳能电池、薄膜太阳能电池、第三代太阳能电池示意图Figure1.1 The pictures of crystalline silicon solar cells, thin-film solar cells and third generationsolar cells1.2.3 太阳能电池的等效电路

然而实际情况中，太阳能电池中会出现多处电阻。如图层之间的接触电阻，电极与层间的接触电阻，电池材料本身们统称为串联电阻（Rs）。除此之外，，由于太阳能电池的边造成的漏电，这部分称为漏电电阻或并联电阻（Rsh），并流就越小[20-22]。
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM914.4

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本文编号：2601910