高稳定苄胺溴铜钙钛矿光吸收材料及其光伏器件研究

发布时间：2020-05-07 21:44

【摘要】：有机无机杂化钙钛矿太阳能电池凭借其卓越的光伏性能在短短的几年内吸引了大量科研工作者的关注。目前钙钛矿太阳能电池的光电转换效率(PCE)早已经超过22%。但是钙钛矿太阳能电池受限于其自身的稳定性和铅(Pb)的毒性问题一直未能成功商业化。本论文针对钙钛矿太阳能电池中存在的稳定性问题和铅的毒性问题,提出使用长链的有机阳离子PMA+(C6H5CH2NH3+)和无毒的铜(Cu)元素组合得到了一种稳定、无毒的(PMA)2CuBr4层状钙钛矿材料,针对性的对其湿度稳定性、热稳定性、紫外光稳定性进行了研究,并将其用于钙钛矿太阳能电池中,为以后发展高稳定、无毒的钙钛矿材料提供了一种新思路。本论文主要研究内容如下:(1)(PMA)2CuBr4钙钛矿材料制备及结构、光学吸收性能、能带结构表征采用化学溶液法合成了(PMA)2CuBr4钙钛矿材料,并使用溶胶凝胶法制备了(PMA)2CuBr4钙钛矿薄膜。利用XRD、EDS、UV-vis、PL、UPS等研究手段对(PMA)2CuBr4钙钛矿结构、光学吸收性能进行了研究。结果表明:(PMA)2CuBr4钙钛矿为二维(2D)层状结构;(PMA)2CuBr4钙钛矿材料可见光吸收范围在300～700 nm之间,带隙Eg约为1.81 eV,吸光系数在105 cm-1数量级,PL发光峰在660 nm,载流子寿命约为3.07 ns。(2)(PMA)2CuBr4钙钛矿材料稳定性研究利用XRD、UV-vis、TGA等研究手段分别对(PMA)2CuBr4钙钛矿材料的湿度稳定性、热稳定性、紫外光稳定性进行了研究。结果表明:(PMA)2CuBr4钙钛矿材料在RH = 60%湿度条件下一周内不发生降解;(PMA)2CuBr4钙钛矿材料热失重温度为160℃,并且(PMA)2CuBr4钙钛矿薄膜在100℃加热6 h后不发生分解;(PMA)2CuBr4钙钛矿材料在紫外光照射14 h后不发生分解。(3)(PMA)2CuBr4钙钛矿材料光伏性能研究制备了平面型和介孔型(PMA)2CuBr4钙钛矿材料光伏器件,并测试了其光伏性能,最后利用霍尔效应、PL等研究手段对其光伏性能低下的原因进行了分析。结果表明:(PMA)2CuBr4钙钛矿光伏器件仅取得了 0.2%的PCE;其光伏性能低下主要是由于(PMA)2CuBr4钙钛矿二维层状结构的缘故,造成(PMA)2CuBr4钙钛矿薄膜载流子传输性能不佳以及激子结合能增大。此外器件界面低的载流子分离效率也限制了(PMA)2CuBr4钙钛矿太阳能电池器件性能。
【图文】：

钙钛矿,钙钛矿结构,空间,二维

而迅速在短时间吸引了大量科研工作者的关注。逡逑１．２．１钙钦矿太阳能电池发展历程逡逑钙钛矿吸光材料结构的化学通式是ＡＢＸ３，其空间原子排布情况如图１．２（ａ）逡逑所示：Ａ是一价有机或无机阳离子（Ａ＝ＭＡ＋、ＮＨ２ＣＨＮＨ２＋、Ｃｓ＋、Ｒｂ＋等），位逡逑于体心立方的八个顶点，也就是八面体间隙位置；Ｂ是金属阳离子（Ｂ邋＝邋Ｐｂ２＋、逡逑Ｓｎ２＋、Ｂｉ３＋、Ｓｂ３＋、Ｃｕ２＋等），位于体心立方的体心位置，也就是八面体的中心位逡逑置；Ｘ通常为卤素离子（Ｘ邋＝邋Ｃｌ，Ｂｒ，Ｉ），位于体心立方的六个面心位置，也就是八逡逑面体的六个顶点位置。钙钛矿结构要维持三维（３Ｄ）结构必须满足容忍因子逡逑（Ｇｏｌｄｓｃｈｍｉｄｔ＇ｓ邋Ｔｏｌｅｒａｎｃｅ邋Ｆａｃｔｏｒ），值在区间［０．８，邋１邋］内，即邋０．８邋ｙ邋５邋１，部分材料满逡逑足八面体因子（ＯｃｔａｈｅｄｒａｌＦａｃｔｏｒ）＂值在区间［０．４，０．８９５］内，，即邋０．４４２；＾￥０．８９５，逡逑ｆ和Ａ分别满足式（卜１）、（１－２）：逡逑４ｉ（Ｒａ＋Ｒｘ）逡逑ｒ＝—逦逦邋（ｌ－ｌ）逡逑Ｒｂ＋Ｒｘ逡逑Ｍ邋＝邋＾逦ｄ－２）逡逑Ｒｘ逡逑上式中心、办、分别代表钙钛矿结构中Ａ离子半径、Ｂ离子半径、Ｘ离子半逡逑径。当Ａ位正一价阳离子半径适当使得＾值落在区间［０，８，１］内时，钙钛矿结构为逡逑三维（３Ｄ）钙钛矿结构［４］

统计图,异质结结构,介孔,平面

逦２０１５逦２０２０逡逑图１．２美国国家能源部可再生能源实验室截止２０１８年４月底所有的太阳能电池最新逡逑ＰＣＥ统计图？逡逑１．２．２钙钛矿太阳能电池器件结构和工作原理逡逑目前钙钛矿太阳能电池主要有三种结构：介孔异质结结构、ｆ面异质结结构、逡逑平面介孔异质结结构。介孔异质结结构衍生自染料敏化太阳能器件结构
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM914.4

【参考文献】