室温溶液法制备铜掺杂氧化镍纳米粒子应用于钙钛矿太阳电池及其性能研究

发布时间：2020-06-24 13:06

【摘要】：有机-无机杂化钙钛矿材料拥有双极性输运、吸光系数高、制备简便和成本低廉等优点得到快速发展,基于钙钛矿材料的钙钛矿太阳能电池已成为光伏领域最热门的研究方向,其光电转化效率不断刷新记录,目前达到了22.7%的认证效率。在不同钙钛矿太阳能电池结构中,平面反向钙钛矿太阳能电池因其结构简单、制备工艺简便而受到越来越多的关注。空穴传输层作为电池结构重要组成部分,其材料的选择直接影响电池的性能。氧化镍(NiO_x)拥有与钙钛矿活性层能级匹配、稳定性高和成本低廉等优点,成为目前钙钛矿太阳能电池中最常用的无机空穴传输材料。与有机空穴传输材料相比,NiO_x本身导电性能不够理想,从而影响了钙钛矿太阳能电池的效率。金属元素掺杂可以简单有效地提高NiO_x导电性。本文采用化学沉淀法制备Cu掺杂NiO_x(Cu:NiO_x)纳米粒子,并通过室温溶液法即可得到Cu:NiO_x纳米粒子薄膜,整个过程无需额外加热退火。以Cu:NiO_x纳米粒子薄膜为空穴传输层,分别制备在玻璃衬底和柔性衬底上制备了钙钛矿太阳能电池。具体研究内容如下:首先,采用化学沉淀法制备了Cu:NiO_x纳米粒子,实验发现,所制备的Cu:NiO_x纳米粒子在水溶液中具有良好的分散性,且溶液稳定性好。对所制备的纳米粒子进行X射线衍射分析和透射电子显微镜观察,结果表明,Cu元素的掺入会导致NiO晶格间距增大,相比于未掺杂的NiO_x纳米粒子,Cu:NiO_x纳米粒子的尺寸减小。进一步地,采用室温溶液法制备纳米薄膜,研究发现,相比于未掺杂的NiO_x薄膜,Cu:NiO_x薄膜更为致密、光滑、平整。此外,Cu掺杂还能有效提升薄膜的导电性,薄膜的空穴迁移率从未掺杂时的3.05×10~(-3) cm~2/(V·S)提高到1.05×10~(-2) cm~2/(V·S)。随后,将所制备的Cu:NiO_x薄膜作为空穴传输层应用于平面反向钙钛矿太阳能电池中。结果表明,在Cu:NiO_x空穴传输层上制备的钙钛矿薄膜更加致密,且晶粒增大,吸光强度随之提高。相比于纯NiO_x空穴传输层,Cu:NiO_x空穴传输层对空穴的提取和传输效率更高,所制备的钙钛矿太阳能电池未掺杂时效率为15.87%,当采用掺杂量为2%的Cu:NiO_x空穴传输层时所制备的器件效率提高到18.66%,并且迟滞效应得到明显抑制。稳定性实验表明,在相同环境下,Cu:NiO_x基器件的稳定性得到加强。此外,根据该Cu:NiO_x空穴传输层的室温溶液法制备,且无需退火的特点,本文以其为基础,制备出高效大面积柔性钙钛矿太阳能电池。Cu:NiO_x在柔性钙钛矿太阳能电池中同样表现出良好的性能。当电池有效面积为0.10 cm~2时,Cu:NiO_x基柔性电池最高效率达到17.16%,而NiO_x基电池效率仅14.27%;有效面积为1.08 cm~2时,柔性电池的效率从NiO_x基电池的12.29%提高到Cu:NiO_x基电池的15.42%。
【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM914.4
【图文】：

太阳能电池,可再生能源,钙钛矿,实验室

图 1.1 美国可再生能源实验室 2018 年 1 月发布的太阳能电池效率图[22]Figure 1.1 Solar cell efficiency chart by National Renewable Energy Laboratory in January2018[22]经过研究人员不断的优化，2016 年出现认证效率 22.1%的钙钛矿太阳能电池，具体为 Soek 等人[23]在混合钙钛矿[(FAPbI3)1-x(MAPbBr)x]中引入微量碘离子，改善了钙钛矿薄膜的缺陷态密度，电池效率突破性地达到 22.1%，并在大面积（1cm2）电池上做到 19.7%的效率，该成果在 2017 年发布。最近，钙钛矿太阳能电

钙钛矿,结构示意图,金属阳离子,阳离子

第 1 章绪论组成正八面体结构，B 阳离子位于八面体中心，八个 A 阳离子以构，X 阴离子为正方体各面中心，这样形成三维的钙钛矿晶体结构料作为活性层时，A 代表有机阳离子基团、金属阳离子或者其中两甲胺离子（CH3NH3+，MA+）、甲脒离子（HC(NH2)2+，FA+）和 Pb2+、Sn2+等金属阳离子或者混合物；X 代表 I-、Br-、Cl-等卤素元混合物。

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