CeO2纳米颗粒的表面改性处理及其在钙钛矿太阳能电池中的应用研究

摘要

有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池凭借其快速提高的光电转换效率（PCE）和简单的制备工艺在光伏市场引起巨大关注。已报道的光电转换效率突破20％，已经能够与现有发展了几十年的商业光伏技术相媲美，诸如多晶硅、CIGS和CdTe薄膜电池等商业光伏技术。未来，钙钛矿太阳能电池很有可能与晶硅电池共享光伏市场甚至超越晶硅电池的市场占有率。目前，器件稳定性和高额的材料成本是制约其可持续发展的两大关键因素。
　　使用廉价、易获取的无机电荷传输材料的界面工程是提高钙钛矿太阳能电池稳定性的有效手段之一。常用的无机电荷传输材料虽然具有非常好的载流子迁移率和导电性，但较差的分散性与成膜质量限制了其在钙钛矿太阳能电池中的应用。本文，发展了一种溶剂热工艺制备单分散 CeO2纳米晶及其表面改性的方法，基于这种纳米前驱体溶液涂布形成高质量界面薄膜。溶剂热制备金属氧化物的工艺已经十分成熟，此改性方法具有非常高的普适性。基于表面改性的CeO2电子传输材料制备p-i-n型反式平面钙钛矿太阳能电池，取得了非常高的器件效率和稳定性。这对于发展低成本高效高稳定性的钙钛矿太阳能电池提供实验依据和理论依据。本文的主要成果如下：
　　（1）使用液-固-液三相溶剂热法合成油酸包裹的单分散CeO2纳米颗粒（粒径<10 nm），通过基团交换的表面改性处理后可实现 CeO2纳米晶薄膜的高导电性(10-4 S/cm)。此外，改性后的颗粒表面的乙酰丙酮分子使得颗粒具有双极性，可制备双极性纳米墨水，在甲醇和氯苯中均实现高分散性。由CeO2纳米墨水低温制备的薄膜具有很好的平整度，粗糙度仅为0.257 nm，可以很好地适用于平面钙钛矿太阳能电池。
　　（2）由于电子传输材料的高载流子迁移率和匹配的能级，基于PCBM/CeO2双电子传输层的反式平面钙钛矿太阳能电池同时实现了高光电转换效率（18.69%）和高稳定性，不封装的电池器件在 N2气氛手套箱中持续光照并在最大功率点输出，200小时效率无衰减。在空气中持续光照并在最大功率点输出，200小时效率仅衰减约10%，相较采用单层PCBM和PCBM/BCP双层电子传输层的电池器件提高十分显著。以CeO2作为电子传输层的全无机界面层反式平面钙钛矿太阳能电池的光电转换效率也能达到14.82%。本文的研究成果促进低成本无机纳米材料在稳定的、高效的钙钛矿太阳能电池中的应用。

目录

声明

1、绪论

1.1研究背景

1.2太阳能电池

1.3钙钛矿太阳能电池的研究进展

1.4太阳能电池的性能表征

1.5界面材料在钙钛矿太阳能电池中的研究进展

1.6 n型CeO2半导体材料

1.7本论文研究思路以及研究内容

2、溶剂热合成n型半导体材料CeO2及其表面改性处理

2.1引言

2.2实验部分

2.3 CeO2纳米颗粒生长机理的研究

2.4 CeO2纳米颗粒表面改性处理

2.5表面改性后CeO2纳米颗粒的性能

2.6小结

3、基于n型CeO2半导体材料为电子传输层的钙钛矿太阳能电池研究

3.1引言

3.2实验部分

3.3电池器件的动力学研究

3.4器件伏安特性研究

3.5器件物理研究

3.6器件稳定性研究

3.7小结

4、结论与展望

4.1全文研究内容总结

4.2论文主要创新点

4.3工作展望

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间发表论文目录