平面异质结钙钛矿太阳能电池二氧化锡电子传输层制备与电池性能研究

发布时间：2020-10-23 21:03

　　 有机-无机卤化铅钙钛矿是一种优异的吸光材料,应用于太阳能电池中可实现极高的光电转换效率,因此不断发展日益趋于实际应用。SnO_2因具有高电导率、制备温度低、化学性质稳定成为最具有前景的电子传输材料。本文以SnO_2致密层为电子传输材料,制备了以甲铵碘化铅(MAPbI_3)为吸光层的平面异质结钙钛矿太阳能电池,探究了低温制备SnO_2电子传输层的影响因素、研究了掺杂不同元素对SnO_2电子传输性能的影响以及MAPbI_3吸光层的优化方案。论文主要内容如下:探究了溶胶-凝胶旋涂前驱液处理温度、陈化时间和水添加量对制备SnO_2电子传输性能及电池效率的影响。实验发现合适的前驱液处理温度对促进SnO_2生成有利,最终使SnO_2电子传输效率提高;适当的陈化时间促进SnO_2结晶,结晶性好的SnO_2电子传输效率高,因此溶胶-凝胶适当陈化后制备SnO_2得到的电池效率更高;溶胶-凝胶旋涂前驱液加入适量的水有利于SnCl_2水解促进SnO_2的生成,最终提高电池效率。通过对比不同条件制备的SnO_2基平面异质结钙钛矿太阳能电池效率,确定80℃热处理,同时滴加150μL水配制溶胶凝胶旋涂前驱液后陈化24 h来制备SnO_2电子传输层。通过掺杂SnO_2优化电子传输层,提高钙钛矿太阳能电池的转换效率,对比不同元素掺杂后电池性能,分析得出最佳掺杂元素及比例。在掺杂离子半径相近的Li~+、Mg~(2+)、Ga~(3+)、Ti~(4+)后,SnO_2传输电子能力提高,掺杂Li~+、Mg~(2+)、Ga~(3+)后所制备的电池J_(sc)明显提高,SnO_2掺杂Ga~(3+)、Ti~(4+)所制备的电池提高了开路电压;SnO_2掺杂价态相同,半径不同的Al~(3+)、Ga~(3+)、In~(3+)制备电池后发现,J_(sc)随掺杂离子半径的增加而增加,SnO_2掺杂与Sn~(4+)半径相同的离子可有效提高电池及填充因子(FF),并提高SnO_2基平面异质结钙钛矿太阳能电池的性能。。采用反溶剂一步法制备MAPbI_3,探究了MAPbI_3前驱液浓度、热处理时间与反溶剂选择对电池性能的影响。实验发现前驱液浓度决定吸光层MAPbI_3薄膜厚度,MAPbI_3前驱液浓度最优为1.2 M,所制备的电池获得的光电转换效率为12.66%;适当的热处理时间有利于MAPbI_3生成与结晶,最优热处理时间为5 min,并获得13.15%电池效率;反溶剂选择对MAPbI_3薄膜宏观及微观形貌有重要影响,MAPbI_3薄膜的形貌影响电池性能,以氯苯作为反溶剂可以制备出宏观透亮、微观晶粒排列紧密的MAPbI_3薄膜,因此为最优反溶剂
【学位单位】：深圳大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM914.4
【部分图文】：

芽筇?裟艿绯囟?趸??缱哟?洳阒票赣氲绯匦阅苎芯?3图1-1 美国国家可再生能源实验室(NREL)认证的各类太阳能电池转换效率数据[10]Figure 1-1 Identified power conversion efficiencies (PCEs) of different solar cells from NREL.按照太阳能电池的发展进程，大体上可以将其分为三代。第一代太阳能电池，即硅基太阳能电池，包括单晶硅、多晶硅和非晶硅太阳能电池。第二代太阳能电池，即化合物薄膜太阳能电池，包括铜铟镓硒（CIGS）、砷化镓等。第三代太阳能电池，即各种新型薄膜类太阳能电池，包括敏化类太阳能电池（染料、量子点）、有机化合物类太阳能电池、有机-无机杂化类太阳能电池等。1.3 钙钛矿太阳能电池概述1.3.1 钙钛矿材料性质经过二十年的研究发现，甲铵碘化铅（CH3NH3PbI3或简称 MAPbI3）具有引人关注的光学和电学方面的性质[11]，它是一种带隙为 1.55 eV 的直接带隙半导体吸光材料

6。图1-2 理想钙钛矿材料晶胞结构的示意图[15]Figure 1-2 The ideal cubic perovskite unit cell.1.3.2 钙钛矿太阳能电池的发展钙钛矿太阳能电池在研究染料敏化太阳能电池（dye-sensed solar cells, DSSCs）的过程中开发的一种类似器件。2009 年，Kojima 等人引入 MAPbI3和较宽带隙 MAPbBr3作为液体电解质基 DSSCs 中的敏化剂[16]，在标准条件下测得第一个敏化型钙钛矿太阳能电池的光电转换效率仅为 3.8 ％，并且由于钙钛矿在有机溶剂中快速溶解，导致器件稳定性较差。因此，通过改变电解质配方和制备钙钛矿的方法，Nam Gyu Park提高了器件性能和稳定性，并且使其 PCE 效率达到 6.5 %[17]。与常用的分子 N719 钌敏化剂相比，MAPbI3是一种优异的吸光材料，这意味着较薄的吸收层，却可以获得良好的光转换性能。液态电解质随后被固态的空穴传输材料（hole transprot materials,HTM）CsSnI3-xFx或 Spiro-MeOTAD[18]代替

6(a) 介孔钙钛矿太阳能电池 (b) 平面异质结钙钛矿太阳能电池图1-3 介孔结构钙钛矿太阳能电池(a)和平面异质结结构钙钛矿太阳能电池(b)的平面示意图Figure 1-3 The structure of mesoscopic PSCs (a); The structure of planar heterojunction PSCs (b)1.3.4 钙钛矿太阳能电池的工作原理当太阳光照射到钙钛矿太阳能电池上并被吸收时，其中能量大于吸光材料即钙钛矿禁带宽度的光子把价带中电子激发到导带上去，形成导带电子；价带中留下带正电的空穴后形成电子-空穴对，电子和空穴通称为光生载流子。钙钛矿太阳能电池中的导带电子和价带空穴扩散到 n 型半导体和 p 型半导体接触形成 pn 结的空间电荷区即内建电场中，根据能级关系，电子-空穴对在内建电场中分离：导带电子将会注入到一般为 n 型半导体的电子传输材料（如 TiO2、SnO2等）的导带中流向电池阴极，空穴将注入到空穴传输材料（如 spiro-OMeTAD、PEDOT:PSS 等）的价带中流向电池正极，从而产生光电压。如果在电池两极连接负载，在持续的太阳光照射下就会产生光电流不断地流经负载。其中理想的电子传输材料能带结构一般要求宽带隙、导带低于钙钛矿材料导带位置以更好地让光生电子流入，且价带低于钙钛矿的价带以阻挡空穴在电子传输层/钙钛矿层界面复合；类似的
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本文编号：2853540