钙钛矿太阳能电池电子传输层的界面修饰及机理研究

发布时间：2020-04-15 18:01

【摘要】：随着经济发展和社会进步,人类对能源的需求量将不断增加。然而,由于传统化石能源的不可再生性,以及对环境造成的污染问题,威胁着人类的生存环境。未来对新能源的开发利用,是解决能源危机和环境污染的有效途径。太阳能是取之不尽,用之不竭的清洁能源,其中太阳能电池是利用太阳能最重要和有效的方式。自2009年以来,钙钛矿太阳能电池(Perovskite solar cells,PSCs)以其能量转换效率高、制造工艺简单、成本低廉、易于大面积制备等优点备受研究人员青睐。电子传输层是钙钛矿太阳能电池的重要组成部分,在钙钛矿太阳能电池中起电子萃取与传输的作用。TiO2是一种宽禁带半导体材料,具备良好的透光性、化学稳定性和较强的电荷分离能力,是钙钛矿太阳能电池最常用的电子传输材料。然而,TiO2纳米材料存在下面这些缺点,影响电池转换效率:(1)TiO2纳米材料存在大量的氧缺陷和空位,易发生电荷复合;(2)TiO2与CH3NH3PbI3钙钛矿材料间存在较大的能级差影响电子的快速注入和开路电压;(3)电子在Tio2电子传输层中的迁移率比较低,容易与空穴发生复合。本论文针对钙钛矿太阳能电池中TiO2电子传输层影响电池转换效率的问题,采用界面修饰的方法,提高电池的性能,所做的工作有以下几个方面:1.稀土元素掺杂Ti02电子传输层。通过溶液旋涂法在透明导电基底FTO上依次沉积致密TiO2电子传输层、CH3NH3PbI3吸收层、spiro-OMeTAD空穴传输层,然后利用磁控溅射技术沉积Ag电极,制备出平面结构钙钛矿太阳能电池。元素掺杂,特别是稀土元素掺杂TiO2,可调控TiO2的能带结构、电子亲和性和电子迁移率。本文首次采用Stm元素掺杂TiO2致密电子传输层,使禁带宽度变宽,提高了开路电压,同时抑制了电子与空穴的复合。当Sm3+离子浓度为0.3%时,电池获得14.10%的转换效率。最后,与染料敏化太阳能电池进行了对比研究。2.制备高性能混晶相介孔TiO2电子传输层。TiO2电子传输层的组成和结构影响着钙钛矿吸光层的形成和电子萃取和传输性能。本文通过水热法在致密的TiO2种子层上制备混晶相介孔TiO2薄膜,通过控制薄膜生长的反应时间和退火时间来控制多孔TiO2薄膜的物相组成、晶粒尺寸、薄膜厚度与空隙率。对基于不同介孔TiO2薄膜的钙钛矿太阳能电池进行光电性能测试,结果表明电池基于水热反应1 h退火0.5 h所制备的TiO2薄膜(H1-A0.5)表现出高效的光电转换效率(19.87%)。3.石墨烯量子点(GQDs)修饰介孔Ti02电子传输层。GQDs由于其独特的结构特征和量子限域、边缘效应,表现出了很多与其他形貌的石墨烯不同的性质。本文通过水热法制备出含-OH,-COOH和-NH2的石墨烯量子点,然后用其修饰TiO2介孔薄膜,应用于钙钛矿太阳能电池中。由于GQDs表面含有众多的羟基和羧基,自身带有一定量的负电荷,使GQD易吸附在TiO2表面。GQDs的-OH、-COOH能与TiO2中Ti4+键合,同时,GQDs中的-NH2与钙钛矿中Pb2+形成配位键,并与I-形成氢键,从而有效地提升电子的注入和迁移速率,减少电子与空穴的复合,提高电池性能。当选用0.001 mgml-1 GQDs修饰TiO2薄膜时,电池效率从17.86%提升到19.21%。
【图文】：

图１－２太阳能电池最高效率图

钙钛矿太阳能电池电子传输层的界面修饰及机理研究

图１－３钙钛矿材料晶体结构图［１３］
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM914.4

【参考文献】