基于NiO纳米材料的反式钙钛矿太阳能电池的研究

发布时间：2020-11-04 20:17

【摘要】：新型能源的研究和开发在当今能源紧缺的社会已是志在必行了。在地球有限的寿命内,太阳就是一个永不枯竭的能量源泉,免费清澈的能流涌动在地球的每一个角落。而钙钛矿太阳能电池(PSC)的研究正是这股洪流中发展最为突飞猛进的一个。本论文主要研究的是以性能更加优秀、成本更低的无机空穴材料NiO来替代传统的反式结构中的PEDOT:PSS和正式结构中的spiro-OMeTAD,并将其应用到反式结构的PSCs中。研究主要从三个方面开展:(1)采用简易温和的溶胶-凝胶法合成出镍溶胶前驱液并应用至PSCs中。通过调控此前驱液的浓度探索出最优厚度,并采用多种表征手段如J-V特性曲线、IPCE、电镜等进行测试。结果表明,最优厚度为46nm,制备的Ni0薄膜层非常连续致密,光电转化率可达14%以上。(2)采用乙酰丙酮镍、油胺和甲苯等简单的材料,辅以溶剂热法成功的合成出高结晶性和高纯度的NiO纳米晶前驱液。研究中以不同前驱液浓度来制备NiO薄层并应用到PSCs器件中,通过测试光电性能可知5 mg/ml为最优浓度,此时厚度为55nm,光电转化率提高到15.47%。通过对比基于PEDOT:PSS的器件,基于NiO纳米晶的器件能带来更加优秀的光电性能、稳定性和重现性。(3)为了改善基于NiO纳米晶的FTO覆盖度,采用简单易合成的TiO2量子点溶液对FTO先进行修饰,然后再制备NiO薄膜层。通过调控Ti02浓度使得底层覆盖度和器件的光电性能达到平衡,平衡时的前驱液浓度为2.5 mg/ml,光电转换率达到最高,为16.12%。对比未经修饰的器件,在NiO层的覆盖度、载流子复合、平均PCE以及重现性等方面均得到提高。
【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】：

发布的最新太阳能电池效率趋势图显示可知（图 1.1），PSCs 的发展非常迅速，且最高效率已达 22.7%，足以媲美硅太阳能电池[9]。1.2 钙钛矿太阳能电池的结构1.2.1 PSCs 的结构分类PSCs 从实际的电池截面图上看层级较多，但结构分明易辨析，大体可分为介孔型和平面型。而平面型钙钛矿太阳能电池又可分为 nip 型结构和 pin 型结构（其中 n 代表 n 型半导体材料，i 代表吸收层材料，p 代表 p 型半导体材料），前者又称正式结构，后者则又称为反式结构。三种结构如图 1.2。典型的钙钛矿太阳能电池结构是类似于汉堡结构逐层叠加的，按制备顺序大致可包括导电玻璃，ETL（电子传输层）或 HTL（空穴传输层），钙钛矿层，HTL（pin 型）或 ETL（nip 型），金属电极。其中第二层包括致密层和介孔层（有图 1.1 太阳能电池效率趋势图（2017）[9]

1.2.2 PSCs 的衬底常见的 PSCs 衬底为 FTO（F:SnO2）透明导电玻璃和 ITO（掺锡的氧化铟）透明导电玻璃。一般需要较高温度烧结的光伏器件通常采用玻璃衬底，这种 PSCs通常具备较高性能。然而，采用玻璃衬底的 PSCs 有质量较大、易碎、不易降低成本等缺点。因此柔韧性优良的高分子产品被人们拿来用作 PSCs 的衬底，拓展了 PSCs 的研究和应用范畴。柔性衬底通常采用涂有 FTO 或 ITO 的 PET（Polyethylene terephthalate，聚对苯二甲 酸 乙二酯 ），PEN（polyethylenenaphthalate，聚萘二甲酸乙二醇酯）等。这种柔性 PSCs 一般开路电压为 0.8 V左右，填充因子为 0.5 ~ 0.7, 光电转化率一般为 9%[10-13]。由于该柔性器件可弯折、轻量化，所以可应用于可穿戴产品，如衣帽、背包、窗帘等。另外，采用连续卷对卷生产工艺[14]，可实现柔性 PSCs 的大面积、大规模生产，这无疑是柔性太阳能器件的一大优势。图 1.2 钙钛矿太阳能电池结构（a）介孔结构（b）nip 型结构（c）pin 型结构

级间的能级更为匹配。可作为阴极缓冲层的材料既有无。无机材料通常为金属氧化物和无机盐，例如 ZnO 纳米晶4,45]均能有效提高电池的光伏性能。有机类材料则有 PN胺）、P3TMAHT（聚[3-（6-三甲基铵己基）噻吩]）等高PDINO（苝酰亚胺）[47]等小分子材料，这些作为阴极缓集电子的能力。s 的光吸收层材料是 PSCs 的核心，其作用是吸收太阳光从而产生载流结构通式为 ABM3[48]，结构如图 1.3。A 一般代表有机HC(NH2)2+等[49]，其主要作用为晶格电荷补偿，对材料的影响。但它的大小会对晶格产生影响，从而影响到金属，因此材料的带隙会有所变化[50]。B 代表 Pb2+，Sn2+和其响材料的带隙。M 代表卤素离子，如 I-，Br-，Cl-等[51]，
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本文编号：2870556