聚合物太阳能电池与钙钛矿太阳能电池的界面修饰工程

摘要

本论文围绕体异质结聚合物太阳能电池和平面型钙钛矿太阳能电池的界面修饰工程展开研究，主要内容包括三部分。
　　1.采用热裂解方法制备锐钛矿TiO2纳米棒，应用在poly(4，8-bis-alkyloxybenzo(1,2-b∶4,5-b')dithiophene-2,6-diyl-alt-(alky lthieno(3,4-b)thiophene-2-carboxylate)-2,6-diyl)(PBDTTT-C)和(6，6)-phenyl-C71-butyric acid methyl ester(PC71BM)共混体系的倒置体异质结聚合物太阳能电池中作为电子传输层，实现高效的光伏性能。
　　1)在合成过程中，通过抽取低沸点溶剂生长不同长径比的TiO2纳米棒。溶液加工TiO2纳米棒自组装形成电子传输层，具有形貌优异、能级位置合适、电子迁移率高等特性。
　　2)基于短和长TiO2纳米棒的器件分别实现6.96％与7.26％的能量转换效率，优于使用常规无定形TiO2薄膜的器件(6.00％)。
　　3)器件的电子传输机理研究表明，使用TiO2纳米棒薄膜可以减少电子传输层体内与界面缺陷，降低电子传输与收集过程中缺陷诱导的复合损失，提高短路电流与填充因子，实现高效的光电转换性能。
　　2.制备不同的无定形TiOx电子传输层，应用在基于PBDTTT-C∶PC71BM体系的倒置体异质结聚合物太阳能电池中，研究器件的光浸润效应。
　　1)通过溶胶凝胶法制备常规的无定形TiOx-a薄膜，并分别在空气与氮气环境中使用254nm强紫外光(UV)照射制备TiOx-a(UV-air)与TiOx-a(UV-N2)薄膜。常规的TiOx-a薄膜形貌较差，存在一定数量的有机官能团与表面羟基和较低浓度的氧空位;TiOx-a(UV-air)薄膜形貌良好，存在大量的表面羟基和低浓度的氧空位;TiOx-a(UV-N2)薄膜形貌优异，存在极少的表面羟基和高浓度的氧空位。
　　2)基于TiOx-a(UV-N2)电子传输层的器件实现7.79％的能量转换效率，有效消除光浸润效应与提高器件稳定性;基于TiOx-a与TiOx-a(UV-air)电子传输层的器件能量转换效率较低，分别为5.98％和3.27％，且两类器件都存在光浸润效应。
　　3)器件的光电特性研究表明，无定形TiOx电子传输层内及其界面的陷阱俘获效应与界面电荷积累效应引起了光浸润效应。通过调控TiOx薄膜内缺陷的种类与浓度，可以有效消除光浸润效应。
　　3.采用两步溶液沉积法制备Cs掺杂CH3NH3PbI3(MAPbI3(Cs)-NRs)钙钛矿薄膜，应用于平面型钙钛矿太阳能电池中作为光敏层，实现高效的光伏性能。
　　1)在两步溶液沉积法中，Cs掺杂效应可以有效调控钙钛矿晶粒生长，改善薄膜形貌，并在薄膜表面实现纳米棒结构，薄膜的化学式为(MA)095Cs005PbI3;而在一步溶液沉积法中，相同Cs掺杂浓度的CH3NH3PbI3钙钛矿薄膜并不会出现类似的纳米棒结构。
　　2)基于MAPbI3(Cs)-NRs平面型钙钛矿太阳能电池的能量转换效率达到16.21％，远高于纯MAPbI3器件(12.98％)，并有效抑制光电流-电压曲线的滞后效应。
　　3)器件的载流子输运动力学研究表明，基于MAPbI3(Cs)-NRs器件具有良好的空穴传输界面，有效降低了载流子传输过程中陷阱俘获效应和离子迁移效应产生的陷阱诱导复合损失，从而实现高效的光电转换性能。

目录

声明

致谢

摘要

序言

1 引言

1．1 太阳能电池概述

1．1．1 太阳能电池工作机理

1．1．2 太阳能电池重要参数

1．1．3 太阳能电池分类

1．1．4 太阳能电池研究现状

1．2 聚合物太阳能电池研究现状

1．2．1 聚合物太阳能电池发展历程

1．2．2 聚合物太阳能电池分类

1．2．3 聚合物太阳能电池工作机理

1．2．4 聚合物太阳能电池光敏材料

1．3 钙钛矿太阳能电池研究现状

1．3．1 钙钛矿太阳能电池发展历程

1．3．2 钙钛矿光敏材料及其制备

1．3．3 钙钛矿太阳能电池分类

1．3．4 钙钛矿太阳能电池面临问题与解决途径

1．4 聚合物太阳能电池与钙钛矿太阳能电池界面修饰工程

1．4．1 界面修饰工程功能

1．4．2 聚合物太阳能电池界面修饰层材料

1．4．3 钙钛矿太阳能电池界面修饰层材料

1．5 研究内容与研究意义

1．5．1 基于TiO2电子传输层的倒置聚合物太阳能电池研究

1．5．2 基于Cs掺杂CH3NH3PbI3的平面型钙钛矿太阳能电池研究

2 TiO2纳米棒电子传输层在倒置聚合物太阳能电池中应用

2．1 实验材料与仪器

2．1．1 实验材料

2．1．2 实验仪器

2．2 TiO2纳米棒制备与表征

2．2．2 TiO2纳米棒表征

2．3 倒置聚合物太阳能电池的制备

2．4 倒置聚合物太阳能电池的光电性能研究

2．4．1 J-V特性

2．4．2 光谱响应特性

2．5 TiO2薄膜的电子传输特性研究

2．5．1 能级特性

2．5．2 形貌特性

2．5．3 电学特性

2．6 倒置聚合物太阳能电池的电子传输机理研究

2．6．1 瞬态光电流特性

2．6．2 瞬态光电导特性

2．7 本章小结

3 基于TiOx电子传输层的倒置聚合物太阳能电池光浸润效应研究

3．1 实验材料与仪器

3．1．1 实验材料

3．1．2 实验仪器

3．2 倒置聚合物太阳能电池的制备

3．2．2 器件制备

3．3 倒置聚合物太阳能电池的光电性能研究

3．3．1 J-V特性

3．3．2 光谱响应特性

3．4 TiOx薄膜特性研究

3．4．1 结晶特性

3．4．2 元素成分与结构特性

3．4．3 能级特性

3．4．4 形貌特性

3．4．5 形成机理探究

3．5 光浸润效应研究

3．5．1 电子迁移率

3．5．2 C-V特性

3．5．3 瞬态光电流特性

3．5．4 光浸润效应机理探究

3．6 稳定性研究

3．7 本章小结

4 基于Cs掺杂CH3NH3Pb13的平面型钙钛矿太阳能电池研究

4．1 实验材料与仪器

4．1．1 实验材料

4．1．2 实验仪器

4．2 钙钛矿薄膜与钙钛矿太阳能电池的制备

4．2．1 钙钛矿层与器件传输层溶液准备

4．2．2 钙钛矿薄膜制备

4．2．3 钙钛矿薄膜太阳能电池制备

4．3 钙钛矿薄膜特性研究

4．3．1 形貌特性

4．3．2 元素成分

4．3．3 结晶特性

4．4 钙钛矿太阳能电池的光电性能研究

4．4．1 性能优化与结构表征

4．4．2 J-V与光谱响应特性

4．4．3 回滞效应与稳态特性

4．4．4 基于一步溶液沉积法的钙钛矿太阳能电池光电性能

4．5 钙钛矿太阳能电池的载流子动力学研究

4．5．2 光强依赖的Jsc与Voc特性

4．5．3 瞬态电压特性

4．6 本章小结

5 结论

参考文献

作者简历

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