基于氧化锌电子传输层的钙钛矿太阳能电池研究

摘要

有机卤化物钙钛矿CH3NH3PbX3（X=Br、I、Cl）是一种具有高吸收系数的直接半导体材料，使其成为具有很大发展前景的太阳能电池的吸光装置，钙钛矿太阳能电池制备工艺简单、操作方便、效率高，具有很大的应用价值。钙钛矿太阳能电池中除了吸光材料会影响其性能，电子传输层也极大地影响电池性能。氧化锌（ZnO）材料因为其电子传输能力强，使其成为代替TiO2作为钙钛矿太阳能电池电子传输层的最佳选择。本文分别讨论了不同的ZnO纳米结构以及不同的钙钛矿光吸收层对电池性能的影响，研究其制备方法对薄膜成膜质量的影响和对电池的影响规律，最终制备了性能最优的钙钛矿太阳能电池。
　　本研究主要内容包括：⑴研究了溶液法制备的ZnO纳米颗粒，低温水热法制备的ZnO纳米棒（ZnO NRs），将这两种结构作为电子传输层对电池性能的影响。结果如下：溶液法制备的ZnO纳米颗粒薄膜致密性较差，电池结构仍需优化，最优的电池效率仅为1.23％。水热法制备的ZnO NRs垂直生长于衬底上，光吸收面积比ZnO纳米颗粒薄膜大，电子沿直线传输，钙钛矿薄膜形貌均匀覆盖率高，电池性能相比较ZnO纳米颗粒更高，效率达到6.63%。通过研究不同ZnO NRs的长度对电池性能的影响规律，选择最佳的ZnO NRs制备工艺作为电池的电子传输层。⑵采用两步旋涂法制备钙钛矿光吸收层。首先研究了PbI2的旋涂转速和PbI2的溶剂对PbI2薄膜、钙钛矿薄膜和电池性能的影响；其次研究了碘甲胺的旋涂转速对钙钛矿薄膜以及电池性能的影响。结果如下：适当的 PbI2旋涂转速能提高PbI2薄膜的结晶性、致密性、均匀性以及覆盖率从而提高钙钛矿薄膜的结晶性、致密均匀性以及覆盖率。PbI2溶于二甲基甲酰胺（DMF）中制备的钙钛矿薄膜呈颗粒状，薄膜均匀致密但平整性差，PbI2溶于体积比为 DMF:二甲亚砜（DMSO）=7：3的混合溶液中制备的钙钛矿薄膜呈絮状结构，薄膜均匀致密且平整性极好，DMSO的加入减缓了PbI2转变为 CH3NH3PbI3的速度，使钙钛矿薄膜中几乎没有PbI2残留，极大地提高了电池的光电性能。CH3NH3I的旋涂转速会影响钙钛矿薄膜的覆盖率、致密性以及薄膜平整性，从而影响钙钛矿太阳能电池的性能。综合上述的研究，选择最佳的制备工艺，钙钛矿太阳能电池的短路电流密度和能量转换效率最大分别达到21.39mA/cm2和6.63%。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 太阳能电池的分类

1.3 钙钛矿太阳能电池概述

1.4 选题目的和意义

1.5 本论文的主要研究内容以及创新性

第二章 钙钛矿太阳能电池的基本原理和制备方法

2.1 试剂与仪器

2.2 钙钛矿太阳能电池的制备方法

2.3 钙钛矿太阳能电池的工作原理

2.4 钙钛矿太阳能电池的基本参数及测试表征方法

2.5 本章小结

第三章 ZnO纳米结构的制备工艺对电池性能的影响

3.1 引言

3.2 溶液法制备ZnO纳米颗粒对电池性能的影响

3.3 低温水热法制备ZnO NRs对电池性能的影响

3.4 掺杂金属元素对ZnO NRs的影响

3.5 不同方法制备的ZnO纳米结构电子传输层的分析

3.6 本章小结

第四章 CH3NH3PbI3薄膜的制备工艺对电池性能的影响

4.1 引言

4.2 CH3NH3PbI3钙钛矿薄膜的制备方法

4.3 PbI2溶液的旋涂参数对钙钛矿薄膜的影响

4.4 PbI2溶于不同溶剂对钙钛矿薄膜的影响

4.5 CH3NH3PbI3的厚度对钙钛矿太阳能电池性能的影响

4.6 本章小结

第五章 基于ZnO NRs电子传输层的钙钛矿太阳能电池研究

5.1 SEM分析

5.2 电池性能研究

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果