TiO2纳米棒阵列基无空穴传输层碳对电极钙钛矿太阳能电池研究

摘要

随着传统的化石能源的日益枯竭，人们转向了对新能源的开发利用。从最初的硅基太阳能电池到现在的染料敏化太阳能电池(DSSCs)和钙钛矿太阳能电池(PSCs)，其中PSCs更是凭借其全固态安全性和制作工艺简单等优点，得到了广泛的研究。迄今为止，PSCs的光电转换效率已经超过20％。在传统的PSCs结构中通常包含有空穴传输材料(HTM)和贵金属对电极，HTM和贵金属的使用无疑会提高电池的制作成本。为了减少电池的成本和简化电池制作工艺，研究者使用了一种丝网印刷技术来制备PSCs。其中Han课题组通过丝网印刷技术直接在覆有晶种层的FTO导电玻璃上分别刷上TiO2层，ZrO2层和C层，再将钙钛矿前驱液直接滴入，获得了超过12％的光电转换效率，有希望实现产业化。
　　为了进一步减少PSCs的制作成本，我们考虑使用低温C代替需要高温退火的C浆料，并且省去ZrO2层，使得电池的结构变为更加简单。同时考虑到TiO2纳米棒阵列(TiO2 nanorod arrays，TiO2-NR)相对于TiO2颗粒具有更快的电子传输速率和光散射能力，因此本论文采用水热法制备了TiO2-NR作为电子传输层材料，并组装成无空穴传输层碳对电极的PSCs。研究了不同水热条件下TiO2-NR对PSCs性能的影响，具体工作内容如下:
　　(1)制备TiO2-NR基C对电极PSCs，研究阵列参数对电池性能的影响。利用水热法在覆有晶种层的FTO导电玻璃上生长TiO2-NR，通过对不同水热条件下生长的纳米棒阵列进行SEM表征，讨论在不同水热条件下纳米TiO2的生长过程。将不同水热条件下生长的TiO2-NR组装成PSCs(具体结构为:FTO/ETL/TiO2-NR/ZrO2/C)，再将钙钛矿前驱液从碳层滴入，退火后对其进行J-V性能测试。实验结果表明电池的性能受阵列孔隙和TiO2-NR长度共同影响。将140℃/3h水热条件下生长的TiO2-NR组装成PSCs，电池的开路电压为0.85 V，短路电流密度是18.59 mA/cm2，光电转换效率达到7.5％。
　　(2)为了进一步减少电池制作成本，我们在(1)的研究基础上去除了ZrO2层，采用反溶剂法制备了结晶性良好的MAPbI3吸光层，并使用低温C代替需要高温退火的碳浆。省去两步退火步骤，使制作工艺变得更加简便，制备的电池结构更加简单(具体结构为:FTO/ETL/TiO2-NR/MAPbI3/C)。在(1)的研究结果基础上，将140℃/2h和140℃/3h水热条件下生长的TiO2-NR组装成低温碳对电极PSCs。对TiO2-NR进行PL测试，结果表明水热140℃/2h条件下制备的纳米棒阵列有着更快的电子注入速率。以及对电池进行J-V性能测试，实验结果表明水热140℃/2h条件下制备的TiO2-NR所组装的电池有着更高的短路电流密度，其平均短路电流密度达到了17.16mA/cm2远高于水热140℃/3h条件生长的TiO2-NR组装的电池的短路电流密度(13.56 mA/cm2)。基于水热140℃/2h条件下制备的TiO2-NR组装的电池获得了最高7.2％的光电转换效率，平均光电转换效率达6.2％。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 太阳能电池的发展

1．3 染料敏化太阳能电池电池(DSSCs)

1．3．1 DSSCs的基本结构

1．3．2 DSSCs的工作原理

1．4 钙钛矿太阳能电池(PSCs)介绍

1．4．1 钙钛矿材料

1．4．2 PSCs分类

1．4．3 PSCs工作原理

1．4．4 PSCs性能参数

1．5 PSCs组成材料的研究

1．5．1 电子传输层材料

1．5．2 对电极材料

1．6 选题依据及主要研究内容

第二章 TiO2-NR水热制备及其在PSCs中的应用

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验试剂与仪器

2．2．2 样品制备

2．2．3 电池组装

2．3 TiO2-NR水热生长研究

2．3．1 不同水热温度生长的TiO2的SEM表征

2．3．2 不同水热时间下生长的TiO2样品SEM表征

2．4 基于TiO2-NR制备的PSCs性能研究

2．4．1 PSCs的SEM截面图

2．4．2 PSCs的J-V测试

2．5 本章小结

第三章 基于TiO2-NR低温碳对电极PSCs的制备

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验材料

3．2．2 实验步骤

3．3 结果与讨论

3．3．1 PSCs的J-V性能测试

3．3．2 MAPbI3的XRD表征

3．3．4 TiO2-NR的PL测试

3．4 本章小结

第四章 工作总结

参考文献

致谢