碳电极介孔钙钛矿电池的工艺优化及其光电降解研究

发布时间：2020-09-08 19:38

　　为满足日益增长的能源需求,光伏产业以其清洁高效备受青睐。而钙钛矿电池因其高的光电转换作效率为最有前景的光伏器件之一,其最近的认证效率已达22.7%,直逼单晶硅太阳能电池。然而,通常钙钛矿电池需要使用有机半导体作为空穴传输层,其中大部分的有机空穴传输材料昂贵且不稳定,且电池的贵金属(如金和银)电极膜,则需通过真空蒸镀手段来实现,这无疑增加了电池的制作成木和运行成本,因而限制了钙钛矿电池的发展。因此,本论文的研究重点是用价格低廉、资源丰富的碳电极取代贵金属电极,且构建无空穴传输层的钙钛矿电池,并优化电池工艺,研究其光电降解应用性能。首先通过两步法制备了无空穴传输层的C/ZrO2/m-TiO2/c-TiO2/FTO钙钛矿电池,其中m-TiO2和ZrO2作为介孔双支架层,钙钛矿填充在介孔双支架层中,碳作为电极,ZrO2作为隔离层分隔碳电极与Ti02层。研究结果表明,ZrO2隔离层的厚度在200 nm,PbI2溶液与基片的预热温度为50℃,MAI的浓度为9mg/mL,停留时间为50 s时,电池器件的光电转换效率最佳。基于以上工作,论文通过加入碳纳米管和使用CH3NH2气体处理来改善钙钛矿与碳电极之间的界面接触。研究结果表明,碳纳米管的引入对电池的电流密度具有显著的提高;CH3NH2气体处理使得钙钛矿表面变得更为平整致密,因而电池的填充因子得到提高。最终,电池的光电转换效率为10.39%,且在1000h的测试之后仍维持在原始效率的84%,显示出良好的稳定性。为了验证钙钛矿电池的实际应用的可能性,将电池与TiO2光阳极膜串联,研究钙钛矿电池驱动下的光电催化降解性能。实验结果表明,当质量分数为0.75 wt.%的碳纳米管与TiO2复合时,光阳极膜展现出最佳的降解效率,整个光电催化装置在80 min对罗丹明B的降解达到95%以上,电池器件在持续工作320 min后依旧维持稳定的效率输出。
【学位单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM914.4
【部分图文】：

钙钛矿,晶体结构

妈櫮矿最初仅指代ＣａＴｉ0３氧化物，并以Ｌｅｖ邋Ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ的名字命名发展至今，逡逑钙钛矿已经不再仅仅只是一种物质，这一词指代具有ＣａＴｉＣｂ结构的一类物质。这类逡逑物质的化学式可用通式ＡＢＸ３表示，它们的结构如图１－１所示，其中Ａ为阳离子，在逡逑立方体的顶点处，Ｂ也为阳离子，在立方体的正中心，而Ｘ则为阴离子，在立方体６逡逑个面的面中心。对于有机金属卤化物钙钛矿电池中的常用活性吸光材料来说，在分子逡逑结构ＡＢＸ３中，Ａ通常是短链的有机阳离子基团（如ＣＨ３ＮＨ３＋，Ｃ２Ｈ５ＮＨ３＋），邋Ｂ通常是逡逑金属阳离子（如Ｐｂ２＋，Ｓｎ２＋），其中Ｘ通常是卤素阴离子（如Ｃｒ，Ｂｒ－，Ｉ＿）邋［４］。逡逑ｃ逡逑；逦（Ｘ邋＾逡逑Ａ邋（．逦Ｏｒｇａｎｉｃ邋ｉｏｎ逡逑Ｒ逦Ｉｎｏｒｇａｎｉｃ邋ｉｏｎ逡逑Ｘ逦Ｈａｌｏｇｅｎ邋ｉｏｎ逡逑图１－１钙钛矿晶体结构式逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｃｒｙｓｔａｌ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ邋ｏｆ邋ｇｅｎｅｒａｌ邋ｆｏｒｍｕｌａ逡逑钙钛矿独特的结构决定了它的特殊的性质，包括光学、电学等各方面的性质，同逡逑时这些性质又可以通过组分进行调控，具有很大延伸空间，也就是说钙钛矿材料可以逡逑根据特定的需求进行人为的调控。钙钛矿材料拥有适宜的禁带宽度，几乎能吸收全波逡逑段的可见光１５］

结构示意图,活化层

生电子与空穴，它们在两种不同类型半导体的接触界面发生分离，这个界面可以是两逡逑种半导体形成的异质结，也可以是同时包含Ｐ型和Ｎ型区域的单一半导体，甚至可以逡逑是半导体与金属形成的ｓｃｈｏｔｔｋｙ结。ＰＳＣｓ的基本结构如图１－２所示，主要包括两端的逡逑电极，Ｎ型半导体构建的电子传输层，Ｐ型半导体构建的空穴传输层和钙钛矿活化层，逡逑这种结构类三明治。其基本的工作原理是钙钛矿活化层在光照下吸收能量，其价带电逡逑子受激发跃迁到导带，在相应的价带上留下了空穴，导带上的电子注入到电子传输层逡逑的导带，再被导电玻璃收集，同时价带上的空穴注入到空穴传输层，最终被金属背电逡逑极收集，从而达到了电子与空穴对的分离，当接两头的电极被导线接通时，就产生了逡逑电流。逡逑根据导电玻璃、电子传输层、钙钛矿活化层、空穴传输层的排序方式，电池可以逡逑划分为正式结构和反式结构ＰＳＣｓ，不同的结构衍生对应的与之匹配使用的材料，这些逡逑材料具有的透光率和溶剂加工特性确定了它适宜正式结构还是反式结构。对于正式逡逑ＰＳＣｓ结构（图卜２）

流程图,流程图,材料,钙钛矿

图１－４两步法制备钙钛矿流程图逡逑Ｆｉｇ．邋１－４邋Ｐｒｏｃｅｓｓ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｔｗｏ－ｓｔｅｐ邋ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ邋ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ邋ｆｏｒ邋ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ逡逑．５．３空穴传输层逡逑空穴传输材料是电子传输材料相对应的Ｐ型半导体材料，选择合适的空穴传输材逡逑插入钙钛矿和金属电极之间，可以改善肖特基（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ）接触｜２１】，促使电子和空逡逑在层界面处分离，减少电荷复合，同时有利于空穴传输，提高电池性能。目前的空穴逡逑输材料可以分为三类：聚合物类、无机类和有机小分子类。聚合物类材料存在一些逡逑点，例如合成过程中复杂的提纯过程、不确定的分子量，差的溶解性，这类材料包逡逑ＰＴＡＡ＿，Ｐ３ＨＴ＿，ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ［３６〗，考虑有机聚合物在持续光照下还存在降解，所逡逑无机类空穴材料开始崛起；无机类材料虽然具有较高的空穴迁移率，但是由于加工逡逑剂对钙钛矿有一定的溶解性，从而影响了器件的稳定性，这类材料包括Ｃｕｌ［３７］，逡逑ｕＳＣＮ［３８］，邋Ｎｉ0ｌ３９］，相对于聚合物类材料来说，无机空穴传输材料更加廉价易得，但逡逑效率一直是制约其发展的关键因素，近来，无机空穴材料逐渐受到重视；有机小分逡逑

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