功能配合物调控实现高效稳定钙钛矿太阳能电池组装研究
发布时间：2021-06-25 01:01
能源危机和环境污染是目前人类亟待解决的问题。太阳能作为一种清洁、可持续的能源,是替代不可再生化石能源的最佳候选者。目前,光伏技术是一种直接将太阳能转换为电能的有效方式,受到广泛的关注。基于硅（Si）、砷化镓（GaAs）、碲化镉（CdTe）和硒化铜铟镓（CIGS）的太阳能电池效率已经超过20%,然而这些器件在其商业化发展过程中都存在不足。钙钛矿太阳能电池作为光伏领域的新秀,经过十余年的发展,其光电转化效率从3.8%升到了25.2%,可与商业化的单晶硅电池相媲美。此外,钙钛矿太阳能电池组装中常用的制膜方法是低温溶液旋涂法,大大降低了器件的制作成本,有助于其商业化,但这一简易廉价的制备过程远没达到热力学平衡,往往形成多晶薄膜,所以不可避免地存在大量缺陷。研究发现,钙钛矿薄膜中的缺陷会不断地诱导器件分解,限制其进一步商业化应用。本论文创新性的通过功能配合物的结构设计,赋予配合物特殊的性能,然后利用该类配合物化学修饰钙钛矿,实现对钙钛矿薄膜的有效调控,从而提升钙钛矿太阳能电池的性能和稳定性。论文工作包括六个章节,分别是:第一章:首先介绍了钙钛矿材料的组成及性质、钙钛矿太阳能电池的结构和工作原理。...
【文章来源】：兰州大学甘肃省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：143 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
(a)钙钛矿ABX3的晶体结构；(b)3D结构；(c)2D结构
兰州大学博士学位论文功能配合物调控实现高效稳定钙钛矿太阳能电池组装研究5钙钛矿吸光材料时，根据不同带隙，选择合适的电子或空穴传输材料，常见的材料及带隙见图1-2b。图1-2(a)钙钛矿太阳能电池的常用结构；(b)常见的钙钛矿材料、电子传输材料和空穴传输材料的能级分布(2)钙钛矿太阳能电池的工作原理钙钛矿材料最初是以染料的形式吸附在染料敏化太阳能电池(DSSCs)的TiO2光阳极上，因此它的工作原理与DSSCs的相同。随着固态钙钛矿太阳能电池的发展，对其工作原理有了更深的认识。如图1-3所示，对于n-i-p结构的电池来说，当电池接收光照时，钙钛矿层吸收光子产生电子和空穴。电子趋向钙钛矿/电子传输层界面，最后被FTO收集；而空穴趋向于钙钛矿/空穴传输层界面，最后被金属电极收集；在该结构器件中，电子和空穴各自具有独立的传输通道，有利于电子和空穴的分离、提取和收集。最终，通过连接FTO和金属电极形成电路，从而产生光电流传送到外电路供电。而对于p-i-n结构的电池来说，钙钛矿吸光后产生的激子直接分离得到自由电子和空穴，与n-i-p型钙钛矿太阳能电池相反，电子被金属电极收集，空穴被透明电极FTO收集。而无论是哪种器件结构，在光照下，都会存在电荷分离、电荷扩散、电荷传输、电荷提取和电荷复合等过程，并且每个过程的速率和器件的性能息息相关。
兰州大学博士学位论文功能配合物调控实现高效稳定钙钛矿太阳能电池组装研究6图1-3钙钛矿太阳能电池的工作原理：(1)光照下，电荷分离；(2)电荷扩散；(3)电荷传输；(4)电荷提取；(5)电荷复合1.2.3钙钛矿薄膜的制备方法钙钛矿薄膜的制备方法主要有真空沉积法和溶液加工法。由于溶液法简单方便、低廉且易于加工，因此溶液法更早且更广地应用于钙钛矿电池薄膜的制作过程中。在钙钛矿电池的不断发展中，研究者采用多种方式或多种步骤制作钙钛矿薄膜，不断优化制膜工艺，得到不同质量的薄膜，从而得到不同光电转换效率的电池。常见的溶液加工法分为，一步旋涂法、两步旋涂法、气相辅助溶液处理和喷涂法；真空沉积法中最常见是一步前驱体沉积、连续气相沉积和双源真空沉积法。(1)一步旋涂沉积法一步旋涂法是一种基于溶液法的方式，是将金属卤化物和有机卤化物溶解于有机溶剂中,随后旋涂在基底上，退火后生成钙钛矿晶体[32]。具体方法是：将碘甲胺(MAI)或氯甲胺(MAC1)和PbI2溶于一定体积的极性非质子溶剂(如DMF、DMSO或γ-丁内酯)中，配成一定浓度的前驱体溶液；而后将前驱体溶液旋涂在涂有电子传输层的FTO/ITO基底上，在相应转速下旋涂，旋涂结束前滴加反溶剂；接着把样品在100℃退火(如图1-4a所示)，得到钙钛矿薄膜。但是，早期研究发现，这种方法难以控制薄膜特性，如薄膜的均匀性、重复性和形貌。从而一步法制备的钙钛矿薄膜，更易形成尺寸大的晶粒，但薄膜比较粗糙且形貌不可控，这抑制了载流子的传输速度，不仅使器件的效率难以提升且重复性差。因此，为了制备高效率的电池，研究者们不断优化薄膜厚度、筛选溶剂及反溶剂、反溶剂的加入时间、旋涂速率等。(2)两步旋涂沉积法为了解决一步法中存在的问题，两步法中，首先是将金属卤化物(?
本文编号：3248175
【文章来源】：兰州大学甘肃省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：143 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
(a)钙钛矿ABX3的晶体结构；(b)3D结构；(c)2D结构
兰州大学博士学位论文功能配合物调控实现高效稳定钙钛矿太阳能电池组装研究5钙钛矿吸光材料时，根据不同带隙，选择合适的电子或空穴传输材料，常见的材料及带隙见图1-2b。图1-2(a)钙钛矿太阳能电池的常用结构；(b)常见的钙钛矿材料、电子传输材料和空穴传输材料的能级分布(2)钙钛矿太阳能电池的工作原理钙钛矿材料最初是以染料的形式吸附在染料敏化太阳能电池(DSSCs)的TiO2光阳极上，因此它的工作原理与DSSCs的相同。随着固态钙钛矿太阳能电池的发展，对其工作原理有了更深的认识。如图1-3所示，对于n-i-p结构的电池来说，当电池接收光照时，钙钛矿层吸收光子产生电子和空穴。电子趋向钙钛矿/电子传输层界面，最后被FTO收集；而空穴趋向于钙钛矿/空穴传输层界面，最后被金属电极收集；在该结构器件中，电子和空穴各自具有独立的传输通道，有利于电子和空穴的分离、提取和收集。最终，通过连接FTO和金属电极形成电路，从而产生光电流传送到外电路供电。而对于p-i-n结构的电池来说，钙钛矿吸光后产生的激子直接分离得到自由电子和空穴，与n-i-p型钙钛矿太阳能电池相反，电子被金属电极收集，空穴被透明电极FTO收集。而无论是哪种器件结构，在光照下，都会存在电荷分离、电荷扩散、电荷传输、电荷提取和电荷复合等过程，并且每个过程的速率和器件的性能息息相关。
兰州大学博士学位论文功能配合物调控实现高效稳定钙钛矿太阳能电池组装研究6图1-3钙钛矿太阳能电池的工作原理：(1)光照下，电荷分离；(2)电荷扩散；(3)电荷传输；(4)电荷提取；(5)电荷复合1.2.3钙钛矿薄膜的制备方法钙钛矿薄膜的制备方法主要有真空沉积法和溶液加工法。由于溶液法简单方便、低廉且易于加工，因此溶液法更早且更广地应用于钙钛矿电池薄膜的制作过程中。在钙钛矿电池的不断发展中，研究者采用多种方式或多种步骤制作钙钛矿薄膜，不断优化制膜工艺，得到不同质量的薄膜，从而得到不同光电转换效率的电池。常见的溶液加工法分为，一步旋涂法、两步旋涂法、气相辅助溶液处理和喷涂法；真空沉积法中最常见是一步前驱体沉积、连续气相沉积和双源真空沉积法。(1)一步旋涂沉积法一步旋涂法是一种基于溶液法的方式，是将金属卤化物和有机卤化物溶解于有机溶剂中,随后旋涂在基底上，退火后生成钙钛矿晶体[32]。具体方法是：将碘甲胺(MAI)或氯甲胺(MAC1)和PbI2溶于一定体积的极性非质子溶剂(如DMF、DMSO或γ-丁内酯)中，配成一定浓度的前驱体溶液；而后将前驱体溶液旋涂在涂有电子传输层的FTO/ITO基底上，在相应转速下旋涂，旋涂结束前滴加反溶剂；接着把样品在100℃退火(如图1-4a所示)，得到钙钛矿薄膜。但是，早期研究发现，这种方法难以控制薄膜特性，如薄膜的均匀性、重复性和形貌。从而一步法制备的钙钛矿薄膜，更易形成尺寸大的晶粒，但薄膜比较粗糙且形貌不可控，这抑制了载流子的传输速度，不仅使器件的效率难以提升且重复性差。因此，为了制备高效率的电池，研究者们不断优化薄膜厚度、筛选溶剂及反溶剂、反溶剂的加入时间、旋涂速率等。(2)两步旋涂沉积法为了解决一步法中存在的问题，两步法中，首先是将金属卤化物(?
本文编号：3248175
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/gckjbs/3248175.html
