钙钛矿型太阳能电池中阻挡层的系统研究

发布时间：2017-05-23 16:07

  本文关键词：钙钛矿型太阳能电池中阻挡层的系统研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cell),由于成本低,效率高等优点,成为第三代太阳能电池。而作为染料敏化太阳能电池的新生力量一钙钛矿型太阳能电池(Perovskite-based solar cell),自2009年被提出来之后,经过短暂的发展,电池效率已经接近20%,2013年被Science期刊评为年度世界十大科技进展之一,称其为太阳能技术发展的一个重要突破。除了电池的效率提升迅速以外,钙钛矿(perovskite)材料制备简单,相比较传统的N3,N719等染料,成本低廉,生产过程中对环境造成的污染更少。随着研究的深入,学者们还发现,perovskite不仅可以担任染料的角色,而且可以同时传递电子和空穴正电荷,意味着原本在染料敏化太阳能电池中承担这些任务的TiO2纳米晶层(TiO2nanoparticle,nc-TiO2)和空穴传输材料(hole transport material)层可以被省略,从而使得电池器件的简化成为极有研究意义的方向。凭借这些优势,钙钛矿型太阳能电池近几年引发了研究热潮,更有学者称其为“光伏领域的新希望”。 对于染料敏化太阳能电池来说,影响电池效率的最主要因素之一是光生电子与氧化态的染料分子、氧化态的电解质分子发生复合,导致电流输出效率降低。目前所采用的,被认为能有效抑制电子复合的方法之一,是在FTO导电玻璃和Ti02纳米晶层之间,添加了一层致密的TiO2阻挡层(compact layer, CL,这样可以抑制电子逆传递,提高电池效率。在传统的液态和固态太阳能电池中,CL的研究已经很多,不过,在钙钛矿型太阳能电池中,还没有看到相关的研究报道,在本篇论文中,我们系统地研究了相关问题,主要包括以下四部分内容： 1、通过不同方法制备出TiO2阻挡层,研究其在钙钛矿型太阳能电池中的影响。通过TiCl4水解法(DIP)和真空溅射法(PVD)制备出不同导电性和致密性的TiO2阻挡层(CL),并用于不同HTM-钙钛矿型太阳能电池中,由于两种空穴传输材料—P3HT和spiro-OMeTAD本身的分子大小和导电性不同,因此对阻挡层有不同的要求。当使用小分子,导电性较差的spiro-OMeTAD为空穴传输材料时,导电性较好,致密性更强的PVD-CL效果更好。 2、研究了不同性质的阻挡层之后,进一步通过可控性较强的喷涂法(spray pyrolysis deposition)制备不同厚度的阻挡层,以研究阻挡层厚度对电池的影响,得出在钙钛矿型太阳能电池中,Ti02阻挡层的最佳厚度为～90nm。 3、由于钙钛矿型太阳能电池中存在两条电子传递路径：nc-TiO2和perovskite本身,导致目前关于钙钛矿型太阳能电池的电子传递机理存在两种争论。因此我们设计了三种不同器件结构的电池,其中第三种电池结构中只包含一种电子传递路径,通过研究不同厚度的阻挡层对这三种电池的影响,得出TiO2纳米晶层(nc-TiO2)对电子传递起到重要作用的结论。为两种争论从阻挡层的层面提供了证据。 4、通过上一部分我们知道,Ti02纳米晶层在钙钛矿型太阳能电池中起到重要作用,但同时我们也发现Ti02阻挡层与Ti02纳米晶层之间的固-固界面存在一条缝隙,而这条缝隙会降低电子的传递效率,因此,我们采用金属氧化物修饰阻挡层的方法制备出金属氧化物-Ti02复合阻挡层(MO-CL),用金属盐在75℃处理CL,之后旋涂Ti02胶体,500℃加热退火,金属盐在高温脱水过程中,消除了两层之间的缝隙。从而使电子传递更有效。在我们的工作中,电池效率提高了67%。
【关键词】：钙钛矿型太阳能电池(Perovskite-based solar cell) 阻挡层 电子传递 金属氧化物修饰
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-13
• 第一章 绪论13-45
• 1.1 太阳能电池的发展13-16
• 1.2 染料敏化太阳能电池16-20
• 1.2.1 染料敏化太阳能电池的电池结构和工作原理16-19
• 1.2.2 染料敏化太阳能电池的发展19-20
• 1.3 钙钛矿型(perovskite)太阳能电池20-28
• 1.3.1 钙钛矿型太阳能电池的发展20-21
• 1.3.2 电子传递机理21-24
• 1.3.3 空穴运输材料的应用24-25
• 1.3.4 电池器件部分25-26
• 1.3.5 低温制备柔性太阳能电池的前景26-27
• 1.3.6 钙钛矿太阳能电池的展望27-28
• 1.4 阻挡层对染料敏化太阳能电池的影响28-31
• 1.4.1 阻挡层工作原理28-29
• 1.4.2 不同性质的半导体阻挡层29
• 1.4.3 阻挡层的制备方法29-31
• 1.5 课题目的与设计思路31-33
• 本章参考文献33-45
• 第二章 ：实验内容与测试方法45-53
• 2.1 试剂与仪器45-46
• 2.1.1 化学试剂45-46
• 2.1.2 主要实验仪器46
• 2.2 实验材料的制备46-47
• 2.3 电池器件的制备方法47-48
• 2.4 性能参数及表征方法48-51
• 2.4.1 电池基本参数48-49
• 2.4.2 电化学性能测试49-50
• 2.4.3 其他表征50-51
• 本章参考文献51-53
• 第三章 阻挡层对钙钛矿型太阳能电池的影响53-81
• 3.1 引言53-54
• 3.2 实验方法54-55
• 3.3 结果与讨论55-77
• 3.3.1 钙钛矿材料(perovskite,CH_3NH_3Pbl_3)的鉴定55-56
• 3.3.2 不同制备方法的阻挡层对钙钛矿型太阳能电池的影响56-66
• 3.3.3 阻挡层厚度对钙钛矿型太阳能电池的影响66-74
• 3.3.4 阻挡层厚度对不同器件结构的钙钛矿太阳能电池的影响74-77
• 3.4 本章小结77-78
• 本章参考文献78-81
• 第四章 MO-TiO_2复合阻挡层用以提高钙钛矿型太阳能电池效率81-93
• 4.1 引言81-82
• 4.2 实验方法82-83
• 4.3 结果与讨论83-90
• 4.3.1 不通金属氧化物修饰阻挡层对电池的影响83-87
• 4.3.2 不同金属盐浓度对金属氧化物修饰效果的影响87-89
• 4.3.3 不同处理时间对氧化物修饰效果的影响89-90
• 4.4 本章小结90-91
• 本章参考文献91-93
• 第五章 工作总结与展望93-95
• 5.1 论文总结93-94
• 5.2 工作展望94-95
• 附录Ⅰ：硕士期间发表和参与发表的论文95-96
• 致谢96

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