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碳电极新型钙钛矿太阳能电池的制备及其光电性能研究
沈黎丽
出版年2019
学位类型硕士
学位授予单位上海第二工业大学
中文摘要太阳能电池是一种利用半导体材料的光电效应将太阳能转化为电能的装置。对于偏远而光照充足的荒漠、山区等地,太阳能电池将带来许多便利。有机-无机杂化钙钛矿材料ABX_3(A=CH_3NH_3~+,(MA)CH(NH_2)_2~+(FA),Cs~+,B=Pb~(2+),Sn~(2+),X=Cl~-,Br~-,I~-)具有合适的禁带宽度(1.5-2.3 eV),较大的吸光系数和较高的电荷迁移率等良好的光电性能,因此适合作为太阳能电池的光吸收材料,引起了研究人员的广泛关注。钙钛矿太阳能电池的效率增长迅速,短短几年内就从3.8%升高至23.7%,增长速度远远超过其他太阳能电池。通过对钙钛矿材料不同组分的调整,可以制备出禁带宽度不同的钙钛矿晶粒。柔性钙钛矿太阳能电池还可以制备可穿戴的电子产品。与需要高温处理、高能耗制备的晶硅太阳能电池相比,钙钛矿太阳能电池制备成本低廉,旋涂或印刷这样的制备工艺相对简单。本文首先利用混合ZrO_2/TiO_2介孔层替代了双层ZrO_2和TiO_2介孔以及单层ZrO_2介孔结构,使层状钙钛矿薄膜的晶粒尺寸变大,从而提高层状钙钛矿太阳能电池的效率;然后利用表面金红石化的锐钛矿TiO_2与钙钛矿晶粒间的界面接触,分析其与纯锐钛矿TiO_2在层状和填充钙钛矿中的不同表现;最后改善了电池的碳电极,改善电池结构,制备了新型填充结构钙钛矿太阳能电池,并取得以下研究成果:(1)制备了TiO_2和ZrO_2的混合浆料,利用粒径为50 nm的ZrO_2晶粒,制备了孔径较大的混合介孔薄膜。为钙钛矿晶粒的生长提供了空间,因而钙钛矿晶粒由细条状转变为大块状的钙钛矿晶粒。改善了钙钛矿/混合介孔薄膜间的界面接触,提高了电池性能。对比了四种不同介孔薄膜ZrO_2、TiO_2、混合ZrO_2/TiO_2介孔、TiO_2/ZrO_2对钙钛矿太阳能电池性能的影响。对比结果发现,混合介孔薄膜制备的钙钛矿太阳能电池性能最好,短路电流为22.63 mA/cm~2,开路电压为0.98 V,填充因子为62.90%,光电转换效率可达13.90%。(2)采用水热法制备了表面金红石化的锐钛矿相TiO_2纳米晶,将其与纯锐钛矿相TiO_2分别制备介孔薄膜,分析了两种结构碳基介孔钙钛矿太阳能电池的界面载流子传输机理。锐钛矿相的TiO_2作为介孔层时,其表面存在的氧空位会影响钙钛矿及电池的稳定性,将锐钛矿相TiO_2表面金红石化后,暴露的(001)晶面拥有较高表面能,可改善钙钛矿/TiO_2相互作用;金红石相的TiO_2导带能级与钙钛矿的导带能级更匹配,减少界面复合;金红石化的表面还可促进晶粒间的电荷转移。制备的渗透钙钛矿太阳能电池表现出更高的转换效率,而在层状钙钛矿太阳能电池中,表面金红石化的锐钛矿TiO_2没能表现出更优的转换效率。这是由于两种结构中载流子的传输速率不同而造成的。(3)通过在碳电极中添加碳纤维,制备了三层介孔的无空穴传输层碳基钙钛矿太阳能电池。碳纤维是一种良好的导电纳米材料。有着大的长径比、比表面积,是理想导电剂,能够架起石墨与石墨间的桥梁,提高活性材料之间的粘结性。在填充钙钛矿结构中,碳纤维在碳电极中形成的纤维交错纵横的结构,为钙钛矿提供渗透通道,改善了介孔中钙钛矿溶液的填充效果,同时在界面形成独立的钙钛矿层,改善了钙钛矿晶体与介孔碳电极的界面接触,加快了载流子的传输,提高了电池的光电性能。
中文关键词钙钛矿太阳能电池 ; 介孔薄膜 ; 表面改性 ; 碳电极
语种中文
国家中国
中图法分类号TM914.4
来源机构上海第二工业大学
资源类型学位论文
条目标识符http://119.78.100.177/qdio/handle/2XILL650/337855
作者单位上海第二工业大学
推荐引用方式
GB/T 7714		 沈黎丽. 碳电极新型钙钛矿太阳能电池的制备及其光电性能研究[D]. 上海第二工业大学,2019.
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