全印刷介观太阳能电池间隔层及钙钛矿晶体生长调控研究

摘要

能源安全面临着严峻形势，大量化石燃料的使用也带来了严重的环境问题。为了实现可持续发展，调整能源结构，向可再生清洁能源转变是必由之路。太阳能清洁、分布广泛且储量丰富，可望为经济发展提供清洁电力。全印刷介观太阳能电池以三层介孔薄膜为基础，拥有简单的“TiO2/间隔层/碳（简称为 TSC）”电池结构，可以使用全印刷技术和廉价的原材料制作完成，具有成本低，制作简单和效率高的优势，有潜在的商业化价值。全印刷介观太阳能电池包括单基板染料敏化太阳能电池和介观钙钛矿太阳能电池等。以N719染料为代表的单基板染料敏化太阳能电池，实现了7.73％的光电转换效率。以碘铅甲胺（CH3NH3PbI3）为代表的钙钛矿，具有优异的物理性质，在光电器件中得到了迅速发展，尤其是作为吸光材料应用在太阳能电池中取得了重大成功，效率已经达到22%以上。在全印刷介观太阳能电池中，间隔层直接影响电荷传输能力和光吸收性能，是制备高效太阳能电池的重要基础。在介观钙钛矿太阳能电池中，钙钛矿生长在二氧化钛和间隔层的介孔中，钙钛矿同时作为吸光材料和电荷传输材料。因此，拥有高质量的钙钛矿晶体是电池高效工作的前提条件，也在一定程度上与电池的稳定性相关。电池的稳定性是商业化的重要要求之一，也是目前钙钛矿太阳能电池面临的重大难题。
　　本研究主要内容包括：⑴设计并制备了具备高反射能力的间隔层。使用次微米孔作为散射中心，在金红石二氧化钛纳米颗粒表面涂覆酸性氧化物消除间隔层对染料的吸附。紫外-可见反射谱测试表明，设计的间隔层对可见光具有比氧化锆更高的反射能力。将之应用在单基板染料敏化太阳能电池中，效率由3.95%提升至4.61%。⑵系统研究了间隔层各主要参数对介观钙钛矿太阳能电池性能的影响。实验证明，10 nm-60 nm的氧化锆制备的电池效率较高，并且单斜相氧化锆比四方相氧化锆制作的太阳能电池效率更高。间隔层厚度主要影响绝缘性能和空穴的输运距离，对于20 nm氧化锆来说，1μm是个较优的厚度。间隔层浆料中粉末与乙基纤维素的比值为1:0.5时制备的介观钙钛矿太阳能电池效率最高。⑶针对氧化锆易团聚造成的间隔层薄膜不均匀问题，设计化学反应路线并合成了高分散的间隔层纳米颗粒，用此纳米颗粒制备的浆料可印刷出高度平整均匀的间隔层薄膜。此间隔层相对于传统的氧化锆间隔层具有更好的绝缘性，并且碳层和生长在间隔层中的钙钛矿层之间的界面更为平整和紧密。介观钙钛矿太阳能电池的平均效率从10.2%提高到12.5%，最高稳态输出效率达到13.8%。⑷系统研究了影响 CH3NH3PbI3钙钛矿在 TSC薄膜介孔内生长的主要因素，包括前驱液和基底温度，及结晶路线等。经优化，控制生长条件可以将钙钛矿在TSC介孔薄膜内几乎完全填满，介观钙钛矿太阳能电池的效率达到13.14%。⑸对比了钙钛矿在 TSC介孔薄膜内填充量不同时介观钙钛矿太阳能电池的光照稳定性差别，发现高填充量是介观钙钛矿太阳能电池具有较高光照稳定性的前提条件。然后使用高分辨电子扫描显微镜、定量X-射线衍射分析等手段研究了前驱液中的添加剂对介观钙钛矿太阳能电池光照稳定性的影响及机理。在前驱液中加入5-氨基戊酸盐酸盐制备的介观钙钛矿太阳能电池在一个标准太阳光下连续光照40小时后效率保持不变。而对氨乙基苯甲酸盐酸盐作为添加剂制备的介观钙钛矿太阳能电池的光照稳定性比对照器件有很大提升，却不如5-氨基戊酸盐酸盐，针对此差别进行了分析和讨论。

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1 绪论

1. 1 研究背景

1. 2 太阳能电池发展历程

1. 3 全印刷介观太阳能电池的研究进展

1. 4 本论文研究思路和内容

2 高反射间隔层在单基板染料敏化太阳能电池中的应用

2. 1 引言

2. 2 实验部分

2. 3 高反射间隔层的合成及形貌表征

2. 4 高反射间隔层的反射率表征

2. 5 基于高反射间隔层的光伏性能优化

2. 6 本章小结

3 间隔层参数对介观钙钛矿太阳能电池性能的影响

3. 1 引言

3. 2 实验部分

3. 3 间隔层纳米颗粒粒径对介观钙钛矿太阳能电池性能的影响

3. 4 间隔层厚度对介观钙钛矿太阳能电池性能的影响

3. 5 纳米晶晶相对介观钙钛矿太阳能电池性能的影响

3. 6 间隔层浆料中乙基纤维素含量的影响

3. 7 本章小结

4 介观钙钛矿太阳能电池间隔层形貌优化

4. 1 引言

4. 2 实验部分

4. 3 高分散间隔层纳米颗粒的合成及表征

4. 4 平整均匀间隔层薄膜形貌表征

4. 5 基于平整均匀间隔层的介观钙钛矿太阳能电池的光伏性能优化

4. 6 本章小结

5 钙钛矿生长条件对介观钙钛矿太阳能电池效率的影响

5. 1 引言

5. 2 实验部分

5. 3 致密层的作用

5. 4 温度的影响

5. 5 钙钛矿结晶路线的影响

5. 6 本章小结

6 影响介观钙钛矿太阳能电池光照稳定性的主要因素研究

6. 1 引言

6. 2 实验部分

6. 3 钙钛矿填充量对介观钙钛矿太阳能电池光照稳定性的影响

6. 4 添加剂对介观钙钛矿太阳能电池光照稳定性的影响

6. 5 本章小结

7 结论与展望

7.1 全文研究内容总结

7.2 主要创新点

7.3 研究展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表论文及申请专利目录