钙钛矿太阳能电池中电荷收集层的研究

发布时间：2017-08-02 12:23

  本文关键词：钙钛矿太阳能电池中电荷收集层的研究

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【摘要】：钙钛矿太阳能电池(Perovskite Solar Cells, PSCs)作为一种新型第三代太阳能电池,一出现便受到了广泛的关注。而性能优异的电荷收集层一直是电池获得高光电转换效率的重要保证。电荷收集层包括电子选择性收集层和空穴选择性收集层。目前电子收集层最常用的材料是Ti02纳米晶,但其电子迁移率相对较低,研究表明提高Ti02电子收集层的电导率可以提高电池的效率,所以选择具有更高电子迁移率的纳米晶半导体来替代Ti02很有必要,而Sn02就是一种高电导率性质稳定的半导体材料。另一方面,替换掉稳定性差的空穴传输材料(HTM)和价格昂贵的金属电极是提高电池稳定性,降低电池制作成本的有效手段,这将有利于PSCs尽快走向产业化。导电碳材料廉价、稳定、并且具有选择性收集空穴的能力,所以用碳材料来代替HTM和贵金属电极有重要的实际应用价值。本文分别从电子收集层和空穴收集层两个方面入手进行新型电荷收集层的制备并将其应用在PSCs器件中,从而深入研究电荷收集层结构特性对电池光电性能的影响机制。首先,使用溶胶-胶凝的方法制作了致密的Sn02薄膜,对其进行了SEM、XRD表征,分析发现其为晶粒较小的金红石型四方相Sn02。将Sn02薄膜作为电子选择性收集层应用于PSCs,并与传统基于Ti02电子选择性收集层的PSCs (T-PSCs)目比较,经过光电性能测试发现,基于Sn02电子选择性收集层的PSCs (S-PSCs)具有稍高的短路电流密度Jsc,但是填充因子FF和开路电压Voc均较低,最终电池的能量转换效率PCE较低,推测原因是Sn02致密层内部和SnO2/钙钛矿界面存在较严重的电荷复合。另外发现,S-PSCs有其特殊的性质,相比于T-PSCs,测试方法对S-PSCs影响较大,并对此进行了细致的研究。其次,使用导电炭黑代替有机HTM和贵金属电极。通过简单的喷涂方法将纳米炭黑制作成PSCs的阴极进行空穴收集,并探究了碳层厚度,碳层和钙钛矿层之间界面接触对电池性能的影响。也同时研究了电池后期热处理对其性能的影响,结果表明,一定条件下的热处理可以使碳基PSCs效率得到明显提升。另外,发现测试方法对电池表现出的性能有很大影响。通过各方面的优化,该类电池最高效率达到8.42%。通过与传统电池对比,碳基PSCs制作成本低,制作工艺简单,为进一步研究打下了基础。
【关键词】：钙钛矿太阳能电池 电荷收集层 二氧化锡 碳 低成本
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O614.432;TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-28
• 1.1 课题的研究背景10-11
• 1.2 太阳能电池光电性能参数11-14
• 1.2.1 伏安特性曲线11-12
• 1.2.2 填充因子和光电转换效率12-13
• 1.2.3 串联电阻和并联电阻13-14
• 1.3 钙钛矿太阳能电池(PSCs)的发展14-20
• 1.3.1 PSCs出现之前电池的发展14-16
• 1.3.2 钙钛矿物质结构及性质16-17
• 1.3.3 钙钛矿太阳能电池的诞生及进一步发展17-20
• 1.4 电子收集层的研究进展20-24
• 1.4.1 DSSC中光阳极材料的研究20-21
• 1.4.2 电子选择性收集层(致密层)的出现21-22
• 1.4.3 致密层在PSCs中的研究动态22-24
• 1.5 碳对电极的研究进展24-26
• 1.5.1 制作工艺24-25
• 1.5.2 碳状态与种类25-26
• 1.6 选题依据26-28
• 2 实验部分28-31
• 2.1 主要仪器及化学试剂28-29
• 2.1.1 仪器设备28
• 2.1.2 主要药品试剂28-29
• 2.2 PSCs测试分析方法29-31
• 2.2.1 伏安特性曲线测试29-30
• 2.2.2 IPCE测试30
• 2.2.3 电化学阻抗测试30
• 2.2.4 扫描电子显微镜30
• 2.2.5 X-射线衍射光谱30
• 2.2.6 时间分辨荧光光谱30-31
• 3 SnO_2电子收集层在PSCs中的应用研究31-45
• 3.1 PSCs器件的制作31-34
• 3.1.1 玻璃基底的准备31
• 3.1.2 致密层的制备31-32
• 3.1.3 多孔层TiO_2的制备32
• 3.1.4 钙钛矿层的制备32-33
• 3.1.5 空穴传输层(HTM)的制作33-34
• 3.1.6 金属电极的制作34
• 3.2 SnO_2致密层性质的表征34-35
• 3.2.1 扫描电镜(SEM)表征34-35
• 3.2.2 粒子结晶性和电导率表征35
• 3.3 S-PSCs的光电性能测试35-40
• 3.3.1 完整PSCs微观结构表征35-36
• 3.3.2 S-PSCs与T-PSCs光电性能对比36-39
• 3.3.3 测试时扫描方向对电池光电性能的影响39-40
• 3.4 测试方式对S-PSCs的影响及机理探究40-43
• 3.4.1 测试方式对S-PSCs的影响40-41
• 3.4.2 测试方式对S-PSCs的影响原理的探究41-43
• 3.5 本章小结43-45
• 4 碳基空穴收集层在PSCs中的应用研究45-57
• 4.1 碳层厚度的优化45-47
• 4.1.1 碳层制作之前电池的准备45
• 4.1.2 不同厚度碳层的制备45-46
• 4.1.3 碳层厚度对电池性能的影响46-47
• 4.2 碳层和钙钛矿层之间接触性问题的研究47-50
• 4.2.1 碳层制作之前电池的准备47
• 4.2.2 三种电池的制作47-49
• 4.2.3 不同方法制作的电池对电池性能的影响49-50
• 4.3 后处理对电池性能的影响50-52
• 4.3.1 对电池进行后处理51
• 4.3.2 后处理对电池性能的影响51-52
• 4.4 测试方式对碳背电极PSCs性能的影响52-55
• 4.4.1 碳电池测试方法的演变52-53
• 4.4.2 不同测试方法表现出光电性能的差异53-54
• 4.4.3 电池的阻抗分析54-55
• 4.5 本章小结55-57
• 结论57-58
• 参考文献58-65
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况65-67
• 致谢67-68

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本文编号：609271