倒置平面异质结钙钛矿太阳能电池制备工艺的系统研究
发布时间：2020-10-26 23:37
自从1956年,科学家Kojima首次使用有机无机杂化电解液法制备出了钙钛矿太阳能电池并获得了3.8%的光电转换效率以来,钙钛矿电池体系得到了行业普遍重视。目前的最高光电转换效率已超过了22%,本质上是源于钙钛矿太阳能电池器件结构、材料的优化设计以及薄膜质量提升。本文实验的体系为倒置结构p-i-n型有机无机杂化钙钛矿太阳能电池,对制备工艺进行了系统摸索,分别探索空穴传输层、钙钛矿光活化层、电子传输层的溶液配置方法、成膜关键实验参数对器件光伏性能的影响。研究结果如下:1、钙钛矿电池空穴传输层的制备工艺研究。对比了PEDOT:PSS在室温和冷藏情况下的区别,发现PEDOT:PSS材料在冷藏下可以获得更高的器件效率;研究了同时使用PEDOT:PSS和PTAA两种材料作为空穴传输层的情况,发现增加PTAA后,钙钛矿前驱体溶液的比例需要调低,这是由于亲水的MAI在疏水的PTAA薄膜上需要降低用量的原因;经过调整溶液浓度获得合适的PTAA厚度,并在薄膜中掺杂少量F_4-TCNQ提高薄膜导电性,最终得到了18.2%的光电转换效率。将新合成的全新材料1,4-双(3,6-二β萘基咔唑基)丁烷作为空穴传输层运用于钙钛矿太阳能电池、系统研究该薄膜和钙钛矿薄膜的制备工艺。结果表明,1,4-双(3,6-二β萘基咔唑基)丁烷单独作用于空穴传输层时,器件开路电压、光电流和填充因子显著降低,说明该薄膜导电性和成膜性有待提高。本论文针对该材料最高占有轨道能级与MAPbI_3比较匹配,设计制备了它与PEDOT:PSS组合的双层空穴传输层,效率提升明显,获得了15.9%的光电转换效率。2、MAPbI_3钙钛矿薄膜的制备工艺研究。分别研究了前驱体溶液的配置方法,仲丁醇溶剂萃取快速结晶工艺参数,以及对比了空气环境和氮气环境下,钙钛矿成膜参数(前驱体溶液比例、烘烤参数)的区别,对相关机理进行初步研究。最终,基于PEDOT:PSS得到了16.2%的光电转换效率,相对以往使用PEDOT:PSS材料的器件获得了很大提升。3、PCBM电子传输层的制备工艺研究。研究了PCBM旋转速度和基底温度对器件性能的影响。通过形貌表征得知,提高基底温度有助于提高PCBM在钙钛矿薄膜表面的附着力,显著提高薄膜的平整度,因此器件的漏电流减少,填充因子提高,最终获得了比较好的效率。
【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】：
倒置平面异质结钙钛矿太阳能电池制备工艺的系统研究1.3.1 钙钛矿结构钙钛矿指一种 ABX3型的晶体结构，A 指一价阳离子如铯离子 Cs+、甲胺阳离子CH3NH3+、甲脒阳离子 CH(NH2)2+，B 是指二价阳离子，如 Pb2+、Mg2+、Ca2+、Ba2+。X是卤素阴离子如 I-、Cl-、Br-。 在理想的钙钛矿晶体中，晶体是正八面体结构，具有等轴晶系结构。A 和 X 按照立方体最紧密的堆叠方式排列，B 原子占据八面体之间的空隙。如图 1 所示：
稳定[17]。这几年钙钛矿太阳电池获得快速发展，众多科研组相继报道了转换0%的器件，实验室报道的小面积器件效率最高可达 22.1%，大面积器件最高了 21% [18]。钙钛矿电池工作原理与性能参数阳能电池的基本工作条件基于半导体材料的光生伏特效应。要想使电池能够建立起 PN 结。有大量空穴的P型材料和含有大量电子的N型材料通过工艺结合在一起时就 结如图 2 所示，由于空穴和电子的浓度差会发生载流子扩散。N 区的电子向下空穴形成正电荷，相反的 P 区的空穴向 N 区扩散留下电子形成负电荷。随扩散形成了由 N 区指向 P 区的电场，随着电场的建立，P 区的空穴和 N 区相互运动产生漂移电流，扩散电流和漂移电流会达到动态平衡，这时载流子内建电场的区域被称为空间电荷区。
图 3 钙钛矿电池能级流子即自由电子和空穴。如果自由电子没能够及时脱离空穴的束缚，导带底与空穴组成激子。由于钙钛矿处在 PN 结的中间，PN 结产生的钙钛矿产生的光生载流子发生分离扩散运动。而且钙钛矿的激子结合都可以解离为自由载流子。因此，钙钛矿材料有很高的载流子迁移率。就是说自由电子和空穴可以在内部复合之前大部分都能传输到界面同的 P 型材料和 N 型材料所吸收，形成光生电场，产生光电压和光电究钙钛矿电池的性能中我们首先使用标准光照条件：辐照度 1Kw/m度 25℃。主要关注钙钛矿电池的以下几种参数：电压（Voltage of Open Circuit ）准光照的条件下太阳电池开路（光生电流值为零）时对应的输出电压电池在理论下的最大输出电压。主要由 P 型材料和 N 型材料的能级带隙宽度共同决定了钙钛矿电池的开路电压 Voc。
【参考文献】
本文编号：2857688
【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】：
倒置平面异质结钙钛矿太阳能电池制备工艺的系统研究1.3.1 钙钛矿结构钙钛矿指一种 ABX3型的晶体结构，A 指一价阳离子如铯离子 Cs+、甲胺阳离子CH3NH3+、甲脒阳离子 CH(NH2)2+，B 是指二价阳离子，如 Pb2+、Mg2+、Ca2+、Ba2+。X是卤素阴离子如 I-、Cl-、Br-。 在理想的钙钛矿晶体中，晶体是正八面体结构，具有等轴晶系结构。A 和 X 按照立方体最紧密的堆叠方式排列，B 原子占据八面体之间的空隙。如图 1 所示：
稳定[17]。这几年钙钛矿太阳电池获得快速发展，众多科研组相继报道了转换0%的器件，实验室报道的小面积器件效率最高可达 22.1%，大面积器件最高了 21% [18]。钙钛矿电池工作原理与性能参数阳能电池的基本工作条件基于半导体材料的光生伏特效应。要想使电池能够建立起 PN 结。有大量空穴的P型材料和含有大量电子的N型材料通过工艺结合在一起时就 结如图 2 所示，由于空穴和电子的浓度差会发生载流子扩散。N 区的电子向下空穴形成正电荷，相反的 P 区的空穴向 N 区扩散留下电子形成负电荷。随扩散形成了由 N 区指向 P 区的电场，随着电场的建立，P 区的空穴和 N 区相互运动产生漂移电流，扩散电流和漂移电流会达到动态平衡，这时载流子内建电场的区域被称为空间电荷区。
图 3 钙钛矿电池能级流子即自由电子和空穴。如果自由电子没能够及时脱离空穴的束缚，导带底与空穴组成激子。由于钙钛矿处在 PN 结的中间，PN 结产生的钙钛矿产生的光生载流子发生分离扩散运动。而且钙钛矿的激子结合都可以解离为自由载流子。因此，钙钛矿材料有很高的载流子迁移率。就是说自由电子和空穴可以在内部复合之前大部分都能传输到界面同的 P 型材料和 N 型材料所吸收，形成光生电场，产生光电压和光电究钙钛矿电池的性能中我们首先使用标准光照条件：辐照度 1Kw/m度 25℃。主要关注钙钛矿电池的以下几种参数：电压（Voltage of Open Circuit ）准光照的条件下太阳电池开路（光生电流值为零）时对应的输出电压电池在理论下的最大输出电压。主要由 P 型材料和 N 型材料的能级带隙宽度共同决定了钙钛矿电池的开路电压 Voc。
【参考文献】
相关期刊论文 前2条
1 孙惠成;罗艳红;李冬梅;孟庆波;;染料敏化太阳能电池基础研究及产业化新进展[J];硅酸盐学报;2011年07期
2 柳佃义;闫旭焕;唐瑜;刘伟生;谭民裕;;以冠醚为骨架的多足配体稀土配合物的合成、表征及荧光性质研究[J];无机化学学报;2008年08期
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1 张林星;倒置平面异质结钙钛矿太阳能电池功能层的可控制备及其机理研究[D];深圳大学;2017年
本文编号：2857688
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