基于硫化铟和掺杂氧化钛电子传输层的钙钛矿太阳能电池研究

发布时间：2020-05-23 04:24

【摘要】：有机-无机杂化的钙钛矿太阳能电池作为第三代太阳能电池,因其优异的光电性能、简单的制备工艺以及低廉的生产成本而备受各国科学家关注,在近几年得到了爆炸式发展。在钙钛矿太阳能电池中,电子传输层作为不可或缺的重要组成部分,起到提取电子,同时阻挡空穴的作用。本文主要围绕钙钛矿太阳能电池的电子传输层展开研究,主要涉及对传统二氧化钛电子传输层的掺杂改性、寻找新的优秀电子传输层材料、探讨电子传输层性能提高机理等方面,取得的主要成果如下:一、通过水热反应,将稀土元素铕以离子态(Eu~(3+))引入传统二氧化钛中,形成掺杂效应,并将其制作成钙钛矿太阳能电池中的介孔层组装进介孔型钙钛矿太阳能电池中,使电池的光电转化效率得到了12.90%的提升,达到了17.90%。通过我们的研究发现,效率的提高主要归因于掺杂效应提高了二氧化钛中的载流子浓度,能够加快电子的传输,减小电池的串联电阻。进一步研究发现,掺杂提高了二氧化钛的费米能级,在进一步促进光生电子向电极传输的同时,抑制了光生电子和空穴的复合,提高了载流子迁移及收集效率。二、为了进一步探究掺杂效应对二氧化钛电子传输层的影响,优化电子传输层的性能,提高其电导率及电子收集传输性能,我们进一步对二氧化钛电子传输层进行二价过渡金属离子Zn~(2+)的掺杂研究。在研究中我们发现,锌离子掺杂在提高钙钛矿太阳能电池的短路电流密度及填充因子方面表现优异。得益于掺杂能够提高二氧化钛的电导率及电子传输性能,且能减少载流子的复合几率。锌离子掺杂使得电池器件效率提升了21.62%,达到了19.69%。三、首次将采用溶剂热法制备的硫化铟纳米薄片作为电子传输层运用到钙钛矿太阳能电池中,获得了表现出色的太阳能电池器件。硫化铟相比于传统的二氧化钛电子传输层材料,其电子迁移率更高,能级结构与钙钛矿感光层的能级结构更加匹配,有利于光生电子的注入和收集,大大提高了电池性能。电池的光电转化效率达到了18.83%。在研究中我们发现硫化铟纳米薄片在构筑电子传输层的过程中可以采用低温处理工艺,节约了生产成本,并且为制备柔性基底的器件提供了新思路。
【图文】：

光伏发电,全球,化石能源

第 1 章绪论1.1 太阳能电池的研究意义能源是人类社会得以发展延续的基石，随着人类历史发展进程的进行，人类对能源的需求量持续增长。从原始社会开始，到工业革命普及前的农耕时代，人类对能源的需求很小，能利用的能源也仅限于自然能源，如风能、水能、人力、畜力等。工业革命后，人类社会经历了从“煤炭时代”到现在的“石油天然气时代的变迁发展。随着人类社会发展变迁，化石能源需求激增，随着不可再生的化石能源的急剧消耗，人类不得不面对一系列严重的问题。如：化石燃料利用过程中产生的各种环境问题、化石燃料即将枯竭的问题，甚至更为严重的能源战争。面对严峻的能源环境问题，世界各国一方面想方设法增加自己的化石能源储备，以解燃眉之急；另一方面积极鼓励科学家开展新型可再生能源相关的科学研究，以期能够调整能源结构，，从根本上解决能源环境问题。图 1.1 可以很清晰的看到全球光伏产业的发展。

太阳能电池,太阳能

清洁能源太阳能具有取之不尽、用之不竭的优点，据统计，每年到达地球表面的太阳能相当于 130 万亿吨煤燃烧释放的能量。同时，太阳能也是最清洁的能源，且便于获得。随着人类社会的发展，化石能源的储备逐渐减少，太阳能将会越来越受到重视。而且，到达地球表面的太阳能并不会因为时间的流逝而减少，反而太阳能利用技术将会随着科技的进步逐渐发展，使得太阳能利用成本降低图 1.2 展示了晶体硅太阳能电池发电成本的变化趋势。因此，太阳能是一种十分具有发展前景的清洁能源。大力发展太阳能利用技术将是调整人类现有能源结构的重要途径，对人类社会的可持续发展起到至关重要的作用。
【学位授予单位】：华侨大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM914.4

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