二氧化锡基钙钛矿太阳能电池的制备及光电性能研究

摘要

由于传统能源的有限，及其造成环境问题日益突出，因此环境友好、可再生的新能源受到各国的广泛关注。近年来，有机–无机混合卤化物型的钙钛矿的发展，带领走进光伏技术的新纪元，它与众不同的属性主要包括载流子迁移率高、光谱吸收范围合适、扩散长度长以及制备的简易性等，从而造就其在光伏、发光二极管、激光等领域成为最具有市场竞争的光电子材料。当前，基于TiO2组装的钙钛矿型太阳能电池（perovskite solar cells，PSCs）已经获得普遍研究，近乎成熟，而其他金属氧化物如SnO2的研究还不完全，SnO2因本身优异的性质有望成为新一代的电子传输层。SnO2有与TiO2接近的禁带宽度，而且SnO2的电子迁移率比TiO2的高，非常有潜力应用在PSCs领域。本文尝试制备了四种SnO2的形貌：二维的纳米片，一维的纳米棒和纳米针以及零维的纳米球，并分别组装成PSCs，对它们的光电性质进行系统的研究。
　　主要研究内容及结果如下：
　　（1）锡源为二水合氯化亚锡，SnO2纳米片选用水热制备，并对其形貌、晶型进行表征。主要采用旋涂法，将超薄的SnO2纳米片作为骨架支撑层和光吸收材料，引入到PSCs中。通过优化CH3NH3PbI3的结晶时间，可以获取PSCs的最佳性能，实验结果表明，在CH3NH3PbI3在结晶10min时，CH3NH3PbI3薄膜颗粒尺寸适中，获得7.81％的光电转换效率（power conversion efficiency，PCE）。采用TiCl4修饰SnO2纳米片表面，研究发现，TiCl4表面处理SnO2纳米片之后，PCE从6.86%提升到7.81%。将SnO2纳米片基PSCs优化处理之后，进行器件的重复性和稳定性测试，得到的平均PCE为7.9%，并且超过80%的器件PCE大于7.5%，将经过测试的器件放在手套箱的环境下，存放240h后，器件的PCE下降5.2%，说明制备的SnO2纳米片基PSCs性能良好，稳定性高。
　　（2）锡源为五水合氯化锡，在碱性条件下，选用水热，分别合成了SnO2纳米针和SnO2纳米棒，并分别组装成PSCs，结构为FTO/SnO2/CH3NH3PbI3/Spiro-OMeTAD/Au，经过多组实验对比，发现SnO2纳米棒基PSCs比SnO2纳米针基PSCs的平均稳定性更高，PCE效果更好，SnO2纳米棒基PSCs的平均PCE达到3.67%，明显高于SnO2纳米针基PSCs的2.1%PCE。当用TiO2对SnO2纳米棒进行前处理和后处理时，PSCs的PCE达到6.08%，平均PCE达到5.9%，存放240h后，PCE下降了4.4%，说明制备的器件的稳定性高，衰减率低。
　　（3）锡源为二水合氯化亚锡，采用水热法合成结晶度高且形貌规整的SnO2纳米球。将合成的直径约为50–60nm的SnO2纳米球作为骨架支撑层和电子传输层引入到PSCs中。通过优化PbI2的旋转速度，获得12.65%的平均PCE。探讨PVP对制备SnO2纳米球的影响以及对整个PSCs的影响，发现添加PVP后，制备的PSCs的效率更高。用TiCl4表面处理SnO2之后，PCE从8.47%提升到12.11%。SnO2纳米球基PSCs在经过优化后，对器件进行稳定性测试，得到的平均效率为12.12%，并且超过83%的器件效率大于11.5%，说明器件重复性较好。将器件放在手套箱环境下，存放240h后，器件的PCE下降了9%。

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第1章 绪论

1.1 太阳能电池的研究背景

1.2 PSCs的结构与原理以及技术指标

1.3 PSCs的发展历史

1.4 PSCs的研究现状

1.5 PSCs面临的困难和挑战

1.6 论文的研究意义和主要内容

第2章 SnO2纳米片的制备及其在PSCs中的应用

2.1 前言

2.2 实验药品与仪器

2.3 实验内容

2.4 结果与讨论

2.5 本章小结

第3章 SnO2纳米针和纳米棒的制备及其在PSCs中的应用

3.1 引言

3.2 实验药品与仪器

3.3 实验内容

3.4 结果与讨论

3.5 本章小结

第4章 SnO2纳米球的制备及其在PSCs中的应用

4.1 引言

4.2 实验药品与仪器

4.3 实验内容

4.4 结果与讨论

4.5 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 总结

5.2 论文的创新点

5.3 展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果