钙钛矿太阳能电池的制备与性能研究

摘要

伴随着能源问题的日益严重，环境不断被破坏，越来越多的人将目光转向了资源充足、成本低廉的太阳能开发和利用。近年来，钙钛矿材料因具有合适的带隙和载流子扩散长度而备受关注，钙钛矿光伏器件的效率在短短几年的时间里就有了突飞猛进的提升，目前文献报道的最高效率已超过22％。除了高效率之外，钙钛矿材料不含有贵金属元素，并且可以通过溶液法或物理气相沉积法在低温下制备，显著降低生产成本。因此，钙钛矿太阳能电池(PSCs)迅速引发了研究热潮，更有学者称其为“光伏领域的新希望”。钙钛矿太阳能电池主要由五个部分组成:导电玻璃、电子传输层、钙钛矿光吸收层、空穴传输层、对电极。其中,电子传输层、钙钛矿光吸收层、空穴传输层作为器件结构的重要组成部分，是决定电池光电转换效率的关键因素。采用多样化的制备技术以及掺杂、修饰等方法以提高吸光层对太阳光的有效吸收和载流子的有效传输过程，具有重要的理论意义和应用价值。本论文分别对有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池和全无机钙钛矿太阳能电池的制备和性能方面作了系统的研究。主要内容如下:
　　(1)在有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池方面，通过室温下的简易方法合成MAPbBr3-xIx胶体量子点(QDs)，以组分调节的方式对其尺寸大小、能级结构进行调控，通过UPS、PCE、IPCE、EIS等多种表征方法，确定了最有利于优化溴基钙钛矿太阳能电池器件结构的界面改性层，即MAP bBr3QDs薄层，并进一步分析和探究其作为界面改性层对于解决电子传输材料表面缺陷态的问题以及改善MAPbBr3-xIx钙钛矿太阳能电池的器件性能、稳定性问题的机理机制。结果分析表明，MAPbBr3QDs作为介孔MAPbBr3钙钛矿太阳能电池中的界面改性层，降低了TiO2/MAPbBr3异质结的表面电子缺陷态密度，促进了电子从钙钛矿吸收层向电子传输层的转移和传输，从而使得器件的光电转换效率得到了明显改善（从5.64％提高到8.29％），IPCE和器件稳定性也得到显著增强。
　　(2)在全无机钙钛矿太阳能电池方面，从电荷传输层和钙钛矿层两个方面入手，对电池的光伏性能进行改善。首先，在无机电荷传输层的选择上，使用水热法合成、光学透明度高、空穴迁移率高的无机物纳米片CuGaO2作为n-i-p型PSCs的无机空穴传输材料;其次，在无机钙钛矿层的选择上，使用热稳定性高的铯铅卤钙钛矿(CsPbI2Br)作为光吸收剂，以钾阳离子部分取代铯阳离子，通过改变钾的化学计量比，对Cs1-xKxPbI2Br薄膜进行了研究。通过对其结构、形貌、光电性能等进行测试，探究了基于CuGaO2空穴传输层的Cs1-xKxPbI2Br全无机钙钛矿太阳能电池在K+掺杂之后对改善无机PSCs的光伏性能、器件稳定性方面的作用。研究表明，当铯铅卤钙钛矿太阳能电池引入的K+比例满足x=0.075时，光生载流子的形成和运输得到有效促进，薄膜结晶度和表面形态明显改善，吸光强度显著增强，电池平均效率从8.1％增加到9.8％。同时钾阳离子的掺入导致PbX6八面体体积收缩，改善了钙钛矿的相稳定性，器件的空气稳定性也随之提高。此外，无机空穴传输材料CuGaO2的使用也有助于器件稳定性的提高，为全无机钙钛矿太阳能电池的进一步研究提供了更多的可能性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 钙钛矿晶体

1．2．1 钙钛矿晶体的结构及性质

1．2．2 钙钛矿晶体的优点

1．3 制备方法

1．3．1 旋涂法

1．3．2 喷涂法

1．3．3 丝网印刷法

1．3．4 浸涂法

1．3．5 热蒸发

1．4 钙钛矿太阳能电池

1．4．1 钙钛矿太阳能电池的发展历程

1．4．2 钙钛矿太阳能电池的结构

1．4．3 钙钛矿太阳能电池的工作原理

1．4．4 钙钛矿太阳能电池的性能参数

1．5 钙钛矿太阳能电池目前的挑战和前景

1．6 本文的研究内容及目的意义

第二章 实验材料及测试方法

2．1 实验试剂及设备

2．1．1 实验试剂

2．1．2 实验仪器及设备

2．2 材料的表征和分析

2．2．2 扫描电子显微分析(SEM)

2．2．3 透射电子显微分析(TEM)

2．2．5 荧光光谱(PL)

2．3 钙钛矿太阳能电池的光伏性能测试(PCE)

第三章 CH3NH3PbBr3量子点作界面改性层制备高效稳定的CH3NH3PbBr3钙钛矿太阳能电池

3．1 引言

3．2 实验部分

3．3 结果与讨论

3．3．1 MAPbBr3-xIxQDs的结构及形貌分析

3．3．2 MAPbBr3钙钛矿薄膜的结构及形貌分析

3．3．3 太阳能电池的性能分析

3．4 结论

第四章 Cs0.925K0.075PbI2Br全无机钙钛矿太阳能电池的制备与性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．3 结果与讨论

4．3．2 Cs1-xKxPbI2Br钙钛矿薄膜的结构及形貌分析

4．3．3 太阳能电池的性能分析

4．4 结论

第五章 结论

5．1 结论

5．2 主要创新点

参考文献

致谢

附录