雜化鈣鈦礦太陽能電池的制備與性能研究

【摘要】：最近五年來,鈣鈦礦電池憑借其高效率、低成本、和簡單的制作工藝等特點(diǎn),得到了光伏器件領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。通過不同的雜化鈣鈦礦材料的引入和電池結(jié)構(gòu)的改進(jìn),使得鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率超過20%。傳統(tǒng)的鈣鈦礦電池的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)為:FTO/致密Ti O2/介孔Ti O2/鈣鈦礦層/spiro-OMe TAD/Au。2,2,7,7-tetrakis[N,N-di(4-methoxyphenyl)amino]-9,9′-spirobifluorene(spiro-OMe TAD)常用來充當(dāng)空穴傳輸材料,但是由于其溶解度低,空氣穩(wěn)定性差,影響了太陽能電池的性能。針對鈣鈦礦電池穩(wěn)定性的缺陷,我們嘗試選取不同的空穴傳輸材料,以及優(yōu)化電池的結(jié)構(gòu),使電池的穩(wěn)定性得到較大提高。本論文以鈣鈦礦太陽能電池為研究對象,制備了光吸收層雜化鈣鈦礦CH3NH3Pb I3和CH3NH3Pb IXCl3-X材料,和空穴傳輸層P3HT的鈣鈦礦太陽能電池,通過阻抗譜的分析、電流電壓特征曲線和電容電壓特征曲線,揭露了雜化鈣鈦礦太陽能電池的載流子傳輸和收集的物理機(jī)制。論文主要包含以下內(nèi)容:第一章,鈣鈦礦太陽能電池的研究現(xiàn)狀、基本原理和主要性能參數(shù)及本論文的研究意義。第二章,Ti O2/CH3NH3Pb I3體異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽能電池的制備及電學(xué)性質(zhì)。本章制備的器件結(jié)構(gòu)為:FTO/致密Ti O2/水熱Ti O2/CH3NH3Pb I3/Au。通過水熱法和旋涂法制備了Ti O2/CH3NH3Pb I3體異質(zhì)結(jié)電池,其性能用電流-電壓曲線,阻抗譜和電容電壓測試表征。數(shù)據(jù)表明Ti O2/CH3NH3Pb I3層構(gòu)成了理想的p-n結(jié),電容電壓曲線證明了Ti O2/CH3NH3Pb I3的內(nèi)建電勢為0.67 V。值得注意的是,電池在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件下保存15天后,其光電轉(zhuǎn)換效率仍然保持35.5%。以上結(jié)果表明了,有取向的氧化鈦為無空穴傳輸材料的鈣鈦礦光伏器件提供了一個可能的途徑。第三章,P3HT為空穴傳輸層的CH3NH3Pb IXCl3-X鈣鈦礦太陽能電池的制備與電學(xué)性質(zhì)。本章制備了兩種器件結(jié)構(gòu):FTO/致密Ti O2/水熱Ti O2/CH3NH3Pb IXCl3-X/Au和FTO/致密Ti O2/水熱Ti O2/CH3NH3Pb IXCl3-X/P3HT/Au。CH3NH3Pb IXCl3-X鈣鈦礦太陽能電池,它是由致密層氧化鈦,水熱氧化鈣鈦礦及空穴傳輸材料構(gòu)成,其致密層和定向的氧化鈦分別由旋涂法和水熱法制備。和沒有P3HT的器件相比,采用P3HT作為空穴傳輸材料的電池,其光電轉(zhuǎn)換效率、開路電壓、填充因子都得到較大提高。阻抗譜測試表明P3HT的存在減小了電池的內(nèi)部電阻,更有利于載流子在氧化鈦和CH3NH3Pb IXCl3-X鈣鈦礦層的界面?zhèn)鬏?而且電子壽命要長的多。另外,采用P3HT的器件的電荷收集能力顯著提高。能級譜的分析表明了,在CH3NH3Pb IXCl3-X鈣鈦礦和Au電極之間P3HT薄膜,使能級更加的匹配。值得注意的是,采用P3HT的電池的穩(wěn)定性得到了較大提高,第四章,CH3NH3Pb IXCl3-X鈣鈦礦太陽能電池的工藝優(yōu)化與電學(xué)性質(zhì)。優(yōu)化了鈣鈦礦電池整體的制作工藝,包含致密氧化鈦的厚度、水熱氧化鈦的PH值、鈣鈦礦的結(jié)晶以及P3HT的添加混合,讓電池的各個部分更加的匹配。采用一種慢干燥的方法,調(diào)整鈣鈦礦的晶體生長速率,提高了電池的覆蓋率。同時(shí),在P3HT中混合了雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰和4-叔丁基吡啶,使電池的開路電壓增大。電池的電流密度電壓(J-V)曲線表明,電池的短路電流(Jsc)為20.8 m A/cm2,開路電壓(Voc)為0.93 V,填充因子(FF)為58.9%,光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)為11.6%。從電池的SEM俯視圖上,可以看到鈣鈦礦在二氧化鈦上的覆蓋率得到顯著增加,覆蓋率的增加導(dǎo)致了電池的光電流明顯增大,這和電池的J-V特征曲線一致。第五章,對鈣鈦礦太陽能電池的總結(jié)和展望。 【關(guān)鍵詞】：鈣鈦礦太陽能電池 二氧化鈦 電學(xué)特性
【學(xué)位授予單位】：河南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第1章 緒論12-22
• 1.1 引言12-13
• 1.2 鈣鈦礦太陽能電池13-15
• 1.2.1 鈣鈦礦材料的分類13-14
• 1.2.2 鈣鈦礦電池的發(fā)展歷史14-15
• 1.2.3 鈣鈦礦電池的工作原理15
• 1.3 鈣鈦礦太陽能電池的基本概念15-17
• 1.3.1 大氣質(zhì)量數(shù)（AM）15-16
• 1.3.2 短路電流密度（JSC）16
• 1.3.3 開路電壓（Voc）16
• 1.3.4 填充因子（FF）16
• 1.3.5 光電轉(zhuǎn)換效率（?）16-17
• 1.4 本論文的內(nèi)容及研究意義17-20
• 參考文獻(xiàn)20-22
• 第2章 TiO_2/ CH_3NH_3PbI_3鈣鈦礦太陽能電池的制備及電學(xué)性質(zhì)22-34
• 2.1 鈣鈦礦電池的制備22-25
• 2.1.1 實(shí)驗(yàn)材料和儀器22-23
• 2.1.2 阻擋層二氧化鈦的制備23
• 2.1.3 水熱二氧化鈦的制備23
• 2.1.4 CH_3NH_3PbI_3鈣鈦礦的配制23
• 2.1.5 CH_3NH_3PbI_3鈣鈦礦電池的制備23-25
• 2.2 阻擋層二氧化鈦和水熱二氧化鈦的表征25-27
• 2.2.1 阻擋層氧化鈦薄膜的SEM俯視圖25
• 2.2.2 水熱二氧化鈦薄膜的XRD圖及SEM俯視圖25-27
• 2.3 TiO_2/ CH_3NH_3PbI_3體異質(zhì)結(jié)電池的表征27-31
• 2.3.1 CH_3NH_3PbI_3鈣鈦礦電池的SEM圖27
• 2.3.2 電池的J-V特征曲線分析27-28
• 2.3.3 電池的交流阻抗譜分析28-29
• 2.3.4 電池的C-V特征曲線分析29-30
• 2.3.5 鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性30-31
• 2.4 結(jié)論31-32
• 參考文獻(xiàn)32-34
• 第3章 CH_3NH_3PbI_XCl_(3-X)鈣鈦礦太陽能電池制備及電學(xué)性質(zhì)34-48
• 3.1 CH_3NH_3PbI_XCl_(3-X)鈣鈦礦電池的制備34-36
• 3.1.1 實(shí)驗(yàn)材料和儀器34
• 3.1.2 CH_3NH_3PbI_XCl_(3-X)鈣鈦礦前驅(qū)液的配制34-35
• 3.1.3 空穴傳輸材料P3HT溶液的配制35
• 3.1.4 CH_3NH_3PbI_XCl_(3-X)鈣鈦礦電池的制備35-36
• 3.2 CH_3NH_3PbI_XCl_(3-X)鈣鈦礦薄膜的表征36-37
• 3.2.1 CH_3NH_3PbI_XCl_(3-X)鈣鈦礦的SEM俯視圖36-37
• 3.2.2 覆蓋有P3HT的CH_3NH_3PbI_XCl_(3-X)的SEM俯視圖37
• 3.3 CH_3NH_3PbI_XCl_(3-X)鈣鈦礦太陽能電池的表征37-44
• 3.3.1 電池的SEM圖37-38
• 3.3.2 電池的J-V特征曲線分析38-39
• 3.3.3 電池的阻抗譜分析39-41
• 3.3.4 電池的熒光猝滅41-42
• 3.3.5 電池的能級原理圖42-43
• 3.3.6 電池的穩(wěn)定性分析43-44
• 3.4 本章小結(jié)44-46
• 參考文獻(xiàn)46-48
• 第4章 CH_3NH_3PbI_XCl_(3-X)鈣鈦礦電池的工藝優(yōu)化與電學(xué)性質(zhì)48-58
• 4.1 鈣鈦礦電池的各組分優(yōu)化48-50
• 4.1.1 阻擋層氧化鈦的優(yōu)化49
• 4.1.2 水熱二氧化鈦的優(yōu)化49
• 4.1.3 鈣鈦礦前驅(qū)液的優(yōu)化49-50
• 4.1.4 P3HT摻雜含量的優(yōu)化50
• 4.2 太陽能電池的制備50-52
• 4.3 鈣鈦礦太陽能電池的表征52-55
• 4.3.1 鈣鈦礦的SEM俯視圖52-53
• 4.3.2 太陽能電池的SEM53-54
• 4.3.3 太陽能電池的J-V表征54-55
• 4.4 本章結(jié)論55-56
• 參考文獻(xiàn)56-58
• 第5章 總結(jié)與展望58-60
• 5.1 總結(jié)58-59
• 5.2 展望59-60
• 致謝60-62
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文目錄62-63

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