薄膜太阳能电池中氧化物半导体电子传输层的制备与性能研究

摘要

染料敏化太阳能电池(Dye-Sensitized Solar Cells，简称DSSCs)和钙钛矿太阳能电池(PerovskiteSolar Cells，简称PSCs)等薄膜太阳能电池都是第三代太阳能电池。对于DSSCs，光阳极在其中起着重要作用，包括负载染料以及传输电子，所使用的材料通常是以氧化钛为代表的纳米氧化物半导体。但是，DSSCs所使用的液态电解质使得电池封装困难，因此人们将研究目光转向了全固态电池，发展出了PSCs，虽然组成结构及成分都发生了很大变化，但是PSCs仍然使用了氧化物半导体作为电子传输材料，可见氧化物半导体在电子传输层中的重要地位。对于DSSCs，颗粒尺寸为20 nm的锐钛矿氧化钛层可以吸附大量染料，产生并有效传输光生电子，但是它存在着一些缺点，例如高的透光率和慢的电子传输速率。PSCs的电子传输层常由致密层和介孔支架层组成，如果不含介孔支架层，可以得到平面PSCs。它常采用氧化钛作为致密的电子传输层，但是氧化钛电子传输较慢并且光照下容易分解钙钛矿层。因此，本文针对这两种太阳能电池的电子传输材料分别存在的问题展开了研究，主要包括： (1) 通过醋酸和钛酸四丁酯的溶剂热反应，合成了两种尺寸的椭球状介晶氧化钛：介晶-1的颗粒尺寸长轴约700 nm，短轴约400 nm；介晶-2的颗粒长轴约250 nm，短轴约100 nm。它们的比表面积都很大，分别为：119.5 m2/g (介晶-1)和132.4 m2/g (介晶-2)。电镜照片表明所制备的介晶是一种类单晶结构，由小的氧化钛纳米晶定向聚集而成。而且，与球状颗粒相比，椭球状颗粒间的相互密堆积有利于拓宽光散射范围。当介晶-1 和介晶-2 分别作为散射层时，DSSCs的效率为 6.75%和 7.16%，比不加散射层的电池 (6.39%) 分别提高了 5.6%和 12.05%。散射层的存在提高了光捕获效率，并且，这两种介晶的电子传输都比20 nm锐钛矿颗粒膜要快，电子寿命也更长，因此电池有着更大的短路电流密度。 (2) 通过五水四氯化锡、氢氧化钠、水和正己烷的溶剂热反应，合成了两种长度的金红石相氧化锡纳米棒：20-50 nm 左右的纳米棒(S-1)，以及50-100 nm左右的纳米棒 (S-2)。将它们分别旋涂在氧化钛致密层上，作为钙钛矿电池的介孔支架层，获得的两种PSCs光电转换效率分别为9.6%和8.46%。以S-1纳米棒作为介孔层的钙钛矿电池效率较高，而随着纳米棒长度增加，S-2电池效率略有下降，这主要是因为电流密度有所下降。由于S-2纳米棒的长度增加后，交错排布后形成的薄膜表面空隙变少，钙钛矿的渗透受到影响，电子传输效率变低，导致电流密度减低，使得电池的效率有所下降。 (3) 通过溶胶法制备掺杂铝的氧化锡异丙醇溶胶，并将其作为平面钙钛矿电池的电子传输层。由不同浓度铝掺杂氧化锡溶胶所制备的PSCs 有不同的效率，与未掺杂铝的氧化锡电池相比，当掺杂的铝浓度为 6%，电池的光电转化效率能从 12.43%提高到 16.36%，提高了31.6%。电池效率的提高主要是由于开路电压的提高，这是由于铝掺杂提高了氧化锡的导带位置，导带位置能从-4.3 eV提高到-4.0 eV。除此之外，铝掺杂氧化锡薄膜和钙钛矿薄膜之间的电荷分离和电子传输都变快了，从而抑制电子空穴的复合。

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狄梦韬 大论文 0121

东华大学

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