钙钛矿太阳能电池的环境稳定性研究

发布时间：2020-04-16 00:55

【摘要】：近年来,有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池因其在效率方面突飞猛进的提升而引起了研究者们的广泛关注,其光电转换效率已由2009年报道的3.8%发展到现在的22.7%,并且钙钛矿太阳能电池可采取低温溶液法处理、制备工艺简单以及成本低。但由于钙钛矿太阳能电池对制备和使用环境敏感,使得钙钛矿太阳能电池的商业性应用受到极大限制。因此,如何提高钙钛矿太阳能电池器件的环境稳定性成为丞待解决的问题。为了改善钙钛矿材料的本征稳定性,本文通过引入部分阳离子以及阴离子对甲脒铅碘(FAPbI_3)进行掺杂,选取了不同的掺杂比例,利用Cs~+对结构的调节作用以及Br~-部分替代卤素能减少缺陷的作用,探索了混合的阳离子FA~+/Cs~+以及阴离子Br~-/I~-对钙钛矿材料性能的影响。通过对旋涂转速、反溶剂、加热温度及时间等因素的探索,确定了最佳的薄膜制备工艺。最终确定了在空气环境中钙钛矿的最优掺杂比例为FA_(0.8)Cs_(0.2)PbI_(2.68)Br_(0.32),制得的电池取得了13.9%的效率,并且在相对湿度为60±5%的湿气环境中测试10天后,仍保持原始效率的82.5%,而FAPbI_3电池在含水分的空气环境中降解很快,到第4天后就几乎无响应。在此基础上,在前驱体溶液中加入Pb(SCN)_2添加剂,研究了其对钙钛矿薄膜质量的调节以及对电池稳定性的改善作用。结果表明含添加剂的钙钛矿薄膜的晶粒取向性增强结晶度更高,薄膜的平整致密性增强覆盖率提高。以含2mol%添加剂的薄膜制备成的电池效率最高达17.0%,在相对湿度为60±5%湿气环境中测试45天后效率保持在初始效率的85.1%以及在光湿氛围下测试30天后保持61.2%的初始效率。
【图文】：

钙钛矿,太阳能电池,效率

现在的22.7%[10]，如图1-1所示。钙钛矿型材料作为其中起关键作用的光敏材料，具有合适的禁带宽度和较高的吸光系数能有效利用太阳光，并且有较高的双极性载流子迁移率和较长的扩散长度以保证光电效应的发生。钙钛矿太阳能电池允许低温溶液法制备，工艺简单易操作，，成本小能耗低，在短短几年内效率突飞猛进，成为了目前最有前途的新型太阳能电池。图 1-1 钙钛矿太阳能电池的效率发展图Fig. 1-1 The chart of the developing efficiencies of perovskite solar cells1.2 钙钛矿太阳能电池的简介1.2.1 电池的器件结构钙钛矿太阳能电池目前主要采用的有两种结构（如图 1-2 所示），第一类钙钛矿太阳能电池为平面结构，其基本结构为光阳极、电子传输材料层、钙钛矿层、空穴传输层以及背电极；第二类钙钛矿太阳能电池为介孔结构，相比较平面结构的电池，其在电子传输材料层和钙钛矿层中多了一层介孔材料，这种结构延续了染料敏化太阳能电池的特点

形貌,钙钛矿,太阳能电池,介孔结构

图 1-2 平面结构和介孔结构钙钛矿太阳能电池的结构示意图Fig. 1-2 Schematic illustration of the planar and mesoporous perovskite film architectures insolar cells电子传输层不仅仅能有效快速的从钙钛矿层提取电子，还能阻挡空穴传至光阳极。二氧化钛是最常用的电子传输材料，采用二氧化钛为电子传输层制备得到的电池效率高达 22.1%，但所采用的二氧化钛为金红石构型，此构型需要在高温500℃下煅烧才能转换得到，能耗较大并且不能用于制备柔性器件。氧化锌具有优越的光学特性，形貌更易控制，电子迁移率高、允许低温制备薄膜，是较为理想的电子传输材料，Kelly 的实验室通过制备以氧化锌纳米粒子为电子传输材料的钙钛矿太阳能电池，光电转换效率达到 15.7%，并且制备的柔性器件的光电转换效率也达到了 10%[11]。有机的电子传输材料的稳定性较金属氧化物更好，能满足在柔性器件上使用，例如 PCBM 即为较常用的材料，当将 PCBM 用作电子传输材料置于钙钛矿太阳能电池中时，取得了 18.7%的光电转换效率，电池放在相对湿度为 30%的黑暗环境下时，在经过 30 天后，电池的效率都保持不变，并且光照 200 小时后也未出现降解的迹象[12]。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM914.4

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