空气气氛中制备高效稳定的钙钛矿太阳能电池研究
发布时间：2020-07-30 07:03
【摘要】：钙钛矿太阳能电池作为近几年能源界冉冉升起的一颗新星,吸引了许许多多科研工作者为之奋斗。2009年日本科学家首次将钙钛矿材料用在染料敏化太阳电池中,电池效率达到3.8%,2013年被《Science》杂志评为世界十大科技突破。2018年1月瑞士EPFL获得了23.25%的效率,这是目前为止获得认证的最高效率。虽然钙钛矿太阳能电池的效率被一再地刷新,但其稳定性较差这一特性一直被人们所诟病。目前大部分高效率钙钛矿太阳能电池的制备过程需在隔绝水分和氧气的特殊环境下进行,因此要想实现其广泛生产应用还有很长的路要走。本文旨在从改良制备方法、引入微量添加剂等方面,在不影响钙钛矿太阳能电池光电转换效率的同时,提高其空气中的稳定性,以期早日实现工业及民生的大规模应用。主要研究内容及结论如下:1、采用正丁胺作为添加剂从而形成连续的PbI_2薄膜,然后采用低亲水性的正丁醇和区别于手套箱中一步反溶剂法的新颖的短时多次循环浸液法来成功地将PbI_2薄膜转换成高质量、表面光滑、晶粒较大的钙钛矿薄膜。最佳性能的PSCs平均光电转换效率可达17.56%,且拥有良好的重复性。2、通过引入CH_3NH_3Br(MABr)来提高开路电压,从而获得更高的光电转换效率和更长时间内的稳定性。另外,MABr还可以提高钙钛矿薄膜的质量,大大减少小尺寸晶粒的个数,使连接电子传输层和空穴传输层的是一整颗晶粒,这就提高了电子传输速率,抑制了电荷重组,减少了迟滞效应。此外,均匀致密且拥有大晶粒的薄膜可有效的抵御水分的侵蚀,这有效地提高了器件在高湿度环境下的稳定性。这项工作强调了引入MABr后使PSCs更高效更稳定。3、为了实现在不特别控制湿度的空气气氛中制备甲脒基钙钛矿太阳能电池,我们在前驱液中掺杂聚合物大分子(PVB、PVA)来增加其抗湿性。通过对比掺杂聚合物和未掺杂聚合物的钙钛矿太阳能电池发现,掺杂一定量的PVB有助于提高电池器件在高湿度下的稳定性。经过对最优掺杂量的探索,得出结论:当PVB浓度为5 mg·mL~(-1)时可获得最高19.10%的光电转换效率,且稳定性更强。
【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
【图文】：
硫化镉、碲化镉[11]及铜铟镓硒[12]薄膜太阳能电池为主。砷化镓具有十分理想的光学带隙、较高的吸收效率、较强的抗辐照能力、对热不敏感，这些特性导致砷化镓化合物薄膜太阳能电池的转换效率可达28%，但GaAs材料的价格不菲，因而大大限制了 GaAs 电池的普及程度。硫化镉（CdS）、碲化镉（CdTe）等多晶薄膜太阳能电池的光电转换效率与非晶硅薄膜太阳能电池相比较高，成本较单晶硅太阳能电池低，并且也易于大规模生产。但由于镉元素的环境不友好型，使得其并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代产品。铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池具有抗辐射能力强、光电转化效率高、工作性能稳定等特点，是最有发展前景的太阳能电池之一[13]。但由于 In 和 Se 都是比较稀有的元素，因此材料的来源是制约这类电池发展的重要因素。1.2.3 新型太阳能电池近几年来太阳能电池的需求量很大，并有逐年上升的趋势。这促使包括染料敏化太阳能电池、量子点太阳能电池、有机聚合物太阳能电池和钙钛矿太阳能电池等在内的新型太阳能电池逐渐进入人们的视野。
图 1.2 钙钛矿晶体结构太阳能电池的基本结构阳能电池按结构进行分类大致可分为三种，正式介式平面结构。电池结构如图 1.3 所示。正式（nip 型，空穴传输层在上，反式（pin 型）结构与其相反，i 代表钙钛矿吸光层，p 代表 p 型半导体材料。正构成是 FTO 透明玻璃电极/电子传输层/介孔层/钙极。常用的电子传输层材料有 TiO2、SnO2、ZnO纳米晶，可作为空穴传输层材料的有 spiro-OMeT钛矿太阳能电池类似于染料敏化太阳能电池，是其电子传输层材料需要具备的特点是高电子迁移率、于接收由钙钛矿层传输的电子。介孔层作为支撑框
图 1.3 三种典型的钙钛矿太阳能电池结构类型 (a)正式介孔结构，(b)正式平面结构(c)反式平面结构1.3.3 钙钛矿太阳能电池的工作原理及性能参数简单来说，根据其结构特点，钙钛矿太阳能电池可以分为 3 层：电子传输层、空穴传输层和钙钛矿层。其中，中间的钙钛矿层是吸光层（介孔型结构即多孔的 TiO2上面附着着钙钛矿晶体）。电子传输层作为电池的负极与透明导电玻璃相连，其作用是将吸光层分离出来的电子传输出去。而空穴传输层则将空穴传输到金属电极上。当有光线照射到吸光层上时，它会吸收光能量使核外电子摆脱原子核的束缚定向移动到电子传输层，在两个电极之间形成电势差，从而在外接电路的作用下形成电流。J-V 曲线是评价太阳能电池优劣最直观的表征手段，主要由以下参数来衡量：短路电流密度（Jsc）、开路电压（Voc）、填充因子（FF）和能量转换效率（PCE）。如图所示：
本文编号：2775199
【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
【图文】：
硫化镉、碲化镉[11]及铜铟镓硒[12]薄膜太阳能电池为主。砷化镓具有十分理想的光学带隙、较高的吸收效率、较强的抗辐照能力、对热不敏感，这些特性导致砷化镓化合物薄膜太阳能电池的转换效率可达28%，但GaAs材料的价格不菲，因而大大限制了 GaAs 电池的普及程度。硫化镉（CdS）、碲化镉（CdTe）等多晶薄膜太阳能电池的光电转换效率与非晶硅薄膜太阳能电池相比较高，成本较单晶硅太阳能电池低，并且也易于大规模生产。但由于镉元素的环境不友好型，使得其并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代产品。铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池具有抗辐射能力强、光电转化效率高、工作性能稳定等特点，是最有发展前景的太阳能电池之一[13]。但由于 In 和 Se 都是比较稀有的元素，因此材料的来源是制约这类电池发展的重要因素。1.2.3 新型太阳能电池近几年来太阳能电池的需求量很大，并有逐年上升的趋势。这促使包括染料敏化太阳能电池、量子点太阳能电池、有机聚合物太阳能电池和钙钛矿太阳能电池等在内的新型太阳能电池逐渐进入人们的视野。
图 1.2 钙钛矿晶体结构太阳能电池的基本结构阳能电池按结构进行分类大致可分为三种，正式介式平面结构。电池结构如图 1.3 所示。正式（nip 型，空穴传输层在上，反式（pin 型）结构与其相反，i 代表钙钛矿吸光层，p 代表 p 型半导体材料。正构成是 FTO 透明玻璃电极/电子传输层/介孔层/钙极。常用的电子传输层材料有 TiO2、SnO2、ZnO纳米晶，可作为空穴传输层材料的有 spiro-OMeT钛矿太阳能电池类似于染料敏化太阳能电池，是其电子传输层材料需要具备的特点是高电子迁移率、于接收由钙钛矿层传输的电子。介孔层作为支撑框
图 1.3 三种典型的钙钛矿太阳能电池结构类型 (a)正式介孔结构，(b)正式平面结构(c)反式平面结构1.3.3 钙钛矿太阳能电池的工作原理及性能参数简单来说，根据其结构特点，钙钛矿太阳能电池可以分为 3 层：电子传输层、空穴传输层和钙钛矿层。其中，中间的钙钛矿层是吸光层（介孔型结构即多孔的 TiO2上面附着着钙钛矿晶体）。电子传输层作为电池的负极与透明导电玻璃相连，其作用是将吸光层分离出来的电子传输出去。而空穴传输层则将空穴传输到金属电极上。当有光线照射到吸光层上时，它会吸收光能量使核外电子摆脱原子核的束缚定向移动到电子传输层，在两个电极之间形成电势差，从而在外接电路的作用下形成电流。J-V 曲线是评价太阳能电池优劣最直观的表征手段，主要由以下参数来衡量：短路电流密度（Jsc）、开路电压（Voc）、填充因子（FF）和能量转换效率（PCE）。如图所示：
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 姚鑫;丁艳丽;张晓丹;赵颖;;钙钛矿太阳电池综述[J];物理学报;2015年03期
相关硕士学位论文 前1条
1 梅迪;单靶磁控溅射一步法制备CIGS薄膜[D];电子科技大学;2011年
本文编号：2775199
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