新型疊合式鈣鈦礦太陽能電池及其光電性能研究

【摘要】：鈣鈦礦太陽能電池(perovskite solar cells, PSCs)是近幾年迅速發(fā)展起來的新型薄膜光伏器件。由于其光電轉(zhuǎn)換效率高,制備工藝簡單,成本低廉,被認為是非常有前景的第三代太陽能電池。在PSCs眾多研究課題中,電池構(gòu)型的設計對其光電性能有十分重要的影響。目前,雖然平板和多孔兩種構(gòu)型鈣鈦礦電池的光電轉(zhuǎn)換效率都發(fā)展到20%左右,但對于電池結(jié)構(gòu)和不同吸光材料間的匹配性問題卻缺乏系統(tǒng)的研究和認知。此外,上述兩種構(gòu)型的PSCs金屬電極制備過程能耗大、需要高真空條件,非常不利于電池的規(guī)?；a(chǎn)。本論文對基于兩種基本結(jié)構(gòu)和兩種常見光吸收材料的PSCs進行系統(tǒng)研究,揭示了不同吸光材料與電池結(jié)構(gòu)間的匹配性規(guī)律；在確定最優(yōu)電池結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,我們設計并制備了新型疊合式鈣鈦礦電池,大大簡化了電池的制備工藝,有利于鈣鈦礦電池的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。首先,我們系統(tǒng)研究了基于不同構(gòu)型和吸光材料的四種PSCs的光電特性。從吸光層的形貌、結(jié)晶性、光吸收和內(nèi)部電荷分離機制方面進行深入分析,發(fā)現(xiàn)當使用CH3NH3PbI3作吸光層時,基于多孔結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦薄膜結(jié)晶性變好,光生電子也可以更有效的注入Ti02中。而對于CH3NH3Pbl3-xClx鈣鈦礦,多孔Ti02的引入反而不利于內(nèi)部光生電子的分離。對四種電池的光電性能進行表征,基于多孔結(jié)構(gòu)的CH3NH3PbI3電池效率高達14.05%,而平板結(jié)構(gòu)的效率只有6.76%。相反的,當使用CH3NH3PbI3-xClx做光敏劑時,平板結(jié)構(gòu)的PSCs效率達到了12.67%,而多孔結(jié)構(gòu)的效率只有7.87%。由此可以知道,使用常規(guī)的方法制備PSCs時,CH3NH3PbI3吸光層更適用于多孔結(jié)構(gòu),而CH3NH3PbI3-xClx則在平板結(jié)構(gòu)中有更好的光電性能。其次,我們設計了一種通過簡單疊合兩塊電極而制備的PSCs,其中一塊電極由不同背基板和PEDOT:PSS組成,另一塊由FTO、TiO2、鈣鈦礦、Spiro-MeOTAD和PEDOT:PSS組成。我們對兩個電極的界面,即兩層PEDOT:PSS界面進行研究,發(fā)現(xiàn)當PEDOT:PSS表面較為粗糙時,可以更有效的傳輸空穴。對FTO、鋁箔紙、銅箔、ITO-PEN、鋼板、鋁板、銅板共七種柔性和剛性背基板組裝電池并進行J-V表征,鋁箔紙表現(xiàn)了最好的光電性能,其最高能量轉(zhuǎn)換效率達到10.88%,開路電壓、短路電流密度和填充因子分別為0.82 V、19.17 mA cm-2和0.69。對基于不同基板的PSCs進行EIS表征,發(fā)現(xiàn)鋁箔紙和PEDOT:PSS界面之間的回傳電阻最小。和傳統(tǒng)的制備方法相比,疊合式PSCs制備成本低廉,無需真空,而且可以靈活的設計電極的納米結(jié)構(gòu)。 【關(guān)鍵詞】：鈣鈦礦太陽能電池 結(jié)構(gòu)設計 匹配性 疊合式PSCs
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 緒論9-23
• 1.1 課題的研究背景9-10
• 1.2 鈣鈦礦太陽能電池10-21
• 1.2.1 PSCs結(jié)構(gòu)及工作原理11-12
• 1.2.2 各組件及其研究現(xiàn)狀12-17
• 1.2.3 鈣鈦礦吸光層與新型器件結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀17-21
• 1.3 課題研究內(nèi)容及意義21-23
• 2 實驗方法23-28
• 2.1 材料、試劑和設備23-25
• 2.1.1 實驗材料23
• 2.1.2 實驗試劑23
• 2.1.3 實驗設備23-25
• 2.2 分析測試方法25-28
• 2.2.1 光電流密度-光電壓曲線(J-V)25
• 2.2.2 入射單色光子-電子轉(zhuǎn)化效率(IPCE)25-26
• 2.2.3 紫外可見吸收光譜(UV-VIS)26
• 2.2.4 X射線衍射分析(XRD)26
• 2.2.5 掃描電子顯微鏡(SEM)26
• 2.2.6 電化學阻抗譜(EIS)26
• 2.2.7 線性伏安測試(LSV)26-27
• 2.2.8 時間分辨熒光光譜(PL譜)27-28
• 3 CH_3NH_3PbI_3和CH_3NH_3PbI_(3-x)Cl_x鈣鈦礦在不同結(jié)構(gòu)PSCs中的匹配性研究28-38
• 3.1 引言28
• 3.2 實驗部分28-30
• 3.2.1 致密層溶膠及碘甲胺(CH_3NH_3I)的合成28-29
• 3.2.2 器件制備29-30
• 3.3 結(jié)果與討論30-36
• 3.3.1 四種電池截面和鈣鈦礦表面形貌分析30-31
• 3.3.2 不同鈣鈦礦XRD分析31-32
• 3.3.3 不同構(gòu)型電池的鈣鈦礦層紫外-可見吸收光譜分析32-33
• 3.3.4 四種電池光電性能表征33-35
• 3.3.5 電子轉(zhuǎn)移機理研究35-36
• 3.4 本章小結(jié)36-38
• 4 疊合式鈣鈦礦太陽能電池的器件制備及光電性能研究38-52
• 4.1 引言38
• 4.2 實驗部分38-39
• 4.2.1 疊合式PSCs的制備38-39
• 4.3 結(jié)果與討論39-51
• 4.3.1 疊合式PSCs器件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化39-41
• 4.3.2 PEDOT：PSS厚度(包括layer Ⅰ和layer Ⅱ)對電池性能的影響41-43
• 4.3.3 PEDOT：PSS形貌對電池性能的影響43-46
• 4.3.4 不同背電極基板光電性能表征46-48
• 4.3.5 不同背基板的電化學阻抗表征48-50
• 4.3.6 不同背基板電池暗態(tài)下的J-V表征50-51
• 4.4 本章小結(jié)51-52
• 結(jié)論52-53
• 參考文獻53-59
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表學術(shù)論文情況59-60
• 致謝60-61

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