TiO2复合膜电子传输层对钙钛矿光电池光电性能影响的研究

摘要

有机无机杂化钙钛矿太阳能电池以其成本低廉、结构简单以及优良的光电性能吸引了大量的关注。电子传输层作为钙钛矿太阳能电池的重要结构，不仅可以沉积钙钛矿材料，还可以传输和收集电子。对电子传输层进行优化是提高钙钛矿太阳能电池光电转换效率的主要方法之一。本论文采用TiO2纳米管作为电子传输层，并将其应用到钙钛矿太阳能电池中，借助TiO2纳米管优异的电输运性能以及良好的光散射性能来提高钙钛矿太阳能电池的光电特性。通过制备TiO2纳米管/TiO2纳米颗粒复合薄膜结构，优化了电子传输层结构，提升了钙钛矿太阳能电池的光电性能。另外在复合薄膜中掺入Ag纳米颗粒，利用Ag纳米颗粒的表面等离子体效应增强了光电池对入射光的吸收能力，具体的研究内容和结论如下： (1)采用阳极氧化法制备TiO2纳米管阵列薄膜，在不破坏TiO2纳米管结构的前提下将TiO2纳米管作为电子传输层集成到钙钛矿太阳能电池中。测试结果表明TiO2纳米管独特的管状结构有效的改善了电池内部的电输运特性，其良好的光散射能力增强了光电池对入射光的吸收。基于TiO2纳米管的钙钛矿太阳能电池光电转换效率为7.63%，相比基于TiO2纳米颗粒的钙钛矿太阳能电池，光电转换效率提升了16%。 (2)制备TiO2纳米管/TiO2纳米颗粒复合薄膜电子传输层，将其应用到钙钛矿太阳能电池中，并研究了最佳的TiO2纳米管和TiO2纳米颗粒配制比例。通过制备复合薄膜避免了单一TiO2纳米结构的缺陷，改善了光电池的光电性能。研究表明当TiO2纳米管和TiO2纳米颗粒的质量比为1∶2时，基于复合薄膜的钙钛矿太阳能电池光电转换效率为9.16%，和基于TiO2纳米管的钙钛矿太阳能电池相比提升了20%。 (3)将0.01mol/L-0.05mol/L五种浓度的Ag纳米颗粒掺杂到TiO2纳米管/TiO2纳米颗粒复合电子传输层中，利用Ag纳米颗粒的等离子体共振效应来提升钙钛矿太阳能电池对入射光的吸收。和未掺Ag的复合薄膜相比，掺Ag的复合薄膜极大的提升了钙钛矿太阳能电池对入射光的吸收，且对入射光的吸收强度随着掺Ag浓度的上升而提高。当掺Ag浓度为0.04mol/L时，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率达到最大。但是当掺Ag浓度继续增加时，Ag纳米颗粒表面的电子势阱增多，使得部分光生电子被Ag纳米颗粒捕获，另外TiO2和Ag的能级不匹配也会阻碍电子的传输，导致载流子复合严重，对钙钛矿太阳能电池的性能造成损害。当掺Ag浓度为0.04mol/L时，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率为11.56%，比未掺Ag的提升了28%。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 钙钛矿太阳能电池的研究和发展

1.3 钙钛矿太阳能电池的基本结构和原理

1.4 钙钛矿太阳能电池的光电性能参数

1.5 TiO2电子传输层在钙钛矿太阳能电池中的应用研究

1.5.1 TiO2电子传输层简介

1.5.2 TiO2电子传输层的形貌控制

1.5.3 TiO2电子传输层的修饰改性

1.6 本论文的研究思路和研究内容

第2章 钙钛矿太阳能电池制备与测试方法

2.1 实验材料和仪器

2.1.1 主要的实验材料

2.1.2 主要的实验设备

2.2 钙钛矿太阳能电池的制备和组装

2.2.1 FTO导电玻璃的预处理

2.2.2 电子传输层和支架层浆料的制备

2.2.3 钙钛矿前驱体溶液的制备

2.2.4 钙钛矿太阳能电池的组装

2.3 钙钛矿太阳能电池性能测试

2.3.1 微观形貌测试

2.3.2 X射线衍射分析

2.3.3 紫外可见光吸收

2.3.4 光电性能测试

第3章 TiO2纳米管电子传输层对钙钛矿太阳能电池光电性能的影响

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 TiO2纳米管阵列薄膜的制备

3.2.2 TiO2纳米管电子传输层浆料的制备

3.2.3 基于TiO2纳米管电子传输层的钙钛矿太阳能电池的制备

3.3 结果分析和讨论

3.3.1 相结构和微观形貌分析

3.3.2 紫外可见光吸收分析

3.3.3 光电性能分析

3.4 本章小结

第4章 TiO2纳米管/TiO2纳米颗粒复合电子传输层对钙钛矿太阳能电池光电性能的影响

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 TiO2纳米管/TiO2纳米颗粒复合浆料的制备

4.2.2 不同比例的TiO2纳米管/TiO2纳米颗粒复合浆料的制备

4.2.3 基于 TiO2纳米管/TiO2纳米颗粒复合电子传输层的钙钛矿太阳能电池的制备

4.3 结果分析和讨论

4.3.1 微观形貌分析

4.3.2 紫外可见光吸收分析

4.3.3 光电性能分析

4.4 本章小结

第5章 复合电子传输层中掺Ag对钙钛矿太阳能电池光电性能的影响

5.1 引言

5.2 实验部分

5.2.1 AgNO3溶液的配置

5.2.2 TiO2纳米管/TiO2纳米颗粒复合电子传输层中掺杂Ag纳米颗粒

5.2.3 基于掺Ag复合电子传输层的钙钛矿太阳能电池的制备

5.3 结果分析和讨论

5.3.1 相结构和微观形貌分析

5.3.2 紫外可见光吸收分析

5.3.3 光电性能分析

5.4 本章小结

第6章 总结和展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间获得与学位论文相关的科研成果