高稳定无铅铜基有机无机杂化光吸收材料及其光伏器件研究

摘要

近几年,钙钛矿太阳能电池的光电转化效率已由2009年报道的3.8％快速提升到经权威认证的22.1%,掀起了全球范围的研究热潮。然而, CH3NH3PbI3钙钛矿光吸收材料存在稳定性低和有毒性这两个缺点,这也是钙钛矿太阳能电池能否最终实用化所面临的两大挑战性难题。为了解决上述关键问题,本文设计并制备出了一种高稳定无铅铜基有机无机杂化光吸收新材料(C6H4NH2CuBr2I),并将其用于可印刷碳电极介观太阳能电池中。虽然仅取得了约0.5%的光电转化效率,但为解决钙钛矿光吸收材料稳定性差及含毒性铅的难题提供了新思路。本论文主要包括以下内容：
　　(1)高稳定无铅有机无机杂化光吸收新材料的设计制备及结构表征
　　通过将邻碘苯胺(C6H4NH2I)和溴化铜(CuBr2)等摩尔比反应制备出了一种有机无机杂化光吸收新材料C6H4NH2CuBr2I,利用粉末X射线衍射、高分辨透射电子显微镜、能量色散X射线谱等研究手段研究了材料的晶体结构及成分等信息。结果表明：C6H4NH2CuBr2I材料属于六方晶系,空间群为R3,晶格参数为a=b=3.963(3)?、c=9.698(5)?,Z=3；铜元素和卤素的比例约为1：3。
　　(2) C6H4NH2CuBr2I光吸收材料的稳定性研究
　　利用接触角测量仪、热重分析仪等研究手段研究了 C6H4NH2CuBr2I材料的接触角及热稳定性。结果表明：C6H4NH2CuBr2I材料不仅具有~90°的接触角,而且具有良好的热稳定性(起始失重温度：~133℃)。此外,研究了 C6H4NH2CuBr2I材料在水中浸泡4h前后的XRD谱图及用水冲洗5 min前后UV?Vis吸收光谱的变化情况,结果表明：XRD谱图和 UV?Vis吸收光谱未发生明显变化,说明C6H4NH2CuBr2I光吸收材料具有优异的水稳定性。
　　(3) C6H4NH2CuBr2I光吸收材料的光电性质及光伏性能
　　利用紫外?可见吸收光谱、透射光谱、光致发光谱、紫外光电子能谱等研究手段研究了材料的光学及电学性质。结果表明：C6H4NH2CuBr2I薄膜具有合适的Eg(~1.64 eV),其光致发光峰位于1.50 eV；光吸收系数高达~6×104cm?1；EF=?4.90 eV；Ev=?6.40eV。最后,将C6H4NH2CuBr2I材料应用到具有FTO/TiO2/ZrO2/Carbon结构的可印刷介观太阳能电池中。在标准太阳光下(AM1.5100 mW cm-2)测量器件的电流密度?电压曲线,结果表明：器件的光电转化效率约为0.5%、电流密度(Jsc)为~6.20 mA cm-2、开路电压(Voc)为0.20 V、填充因子(FF)为0.46。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 太阳能电池概述

1.2 钙钛矿太阳能电池概述

1.3 无铅钙钛矿太阳能电池的研究现状

1.4 钙钛矿太阳能电池稳定性的研究现状

1.5 本文的选题依据和主要研究内容

第2章 高稳定无铅光伏新材料的设计制备及结构表征

2.1 引言

2.2 材料设计与制备

2.3 材料晶体结构及成分表征

2.4 本章小结

第3章 C6H4NH2CuBr2I光伏材料的稳定性测试

3.1 引言

3.2 C6H4NH2CuBr2I光伏材料的湿度稳定性测试

3.3 C6H4NH2CuBr2I光伏材料的接触角测试及分析

3.3 C6H4NH2CuBr2I光伏材料的热稳定性测试

3.4 本章小结

第4章 C6H4NH2CuBr2I光伏材料的光电性质及光伏性能

4.1 引言

4.2 C6H4NH2CuBr2I光伏材料的光学吸收性能表征

4.3 紫外光电子能谱测试

4.4 霍尔效应及塞贝克效应测试

4.5 C6H4NH2CuBr2I基光伏器件的制备

4.6 C6H4NH2CuBr2I基光伏器件的光伏性能表征

4.7 C6H4NH2CuBr2I基光伏器件的光伏性能分析

4.8 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 论文总结

5.2 研究展望

参考文献

致谢

个人简历

攻读硕士学位期间发表的论文及专利