下转换材料合成及其在新型太阳电池中的应用研究

摘要

钙钛矿太阳电池作为一种新型太阳电池，具有生产成本低、制各工艺简单、电迁移率高、吸光系数大等优点。自诞生以来，就以惊人的速度刷新着效率记录，是太阳能技术的一个重大革新。
　　受带隙宽度的限制，常规钙钛矿太阳电池只能吸收占太阳总辐射光谱44％左右的可见光，这导致电池吸收带隙与入射太阳光谱不匹配，造成能量损失，限制了效率的提升。此外，具有较高能量的紫外光，会造成电池结构一定程度的破坏，导致电池光电性能下降。采用紫外虑光膜虽然避免了紫外光对电池的损害，提高了电池的稳定性，但也使电池无法有效利用紫外光，减小了电池的光采集效率。本论文从拓宽电池光谱响应范围提高效率及稳定性的角度出发，采用稀土下转换材料将高能量紫外光转换成低能量可见光，使其与电池的吸收光谱更加匹配，实现电池对入射太阳光的有效利用，同时减小紫外光诱导降解对电池性能的影响。
　　稀土配合物作为一种优良的发光材料，具有发光效率高、吸收范围广、荧光寿命长等优点。在提高电池光利用率及性能方面，具有很好的应用前景。本文对提高配合物发光性能、拓宽吸收范围进行了研究，并择优选取配合物应用于钙钛矿太阳电池中，系统研究了配合物下转换发光与电池性能之间的关系。此外，将易激发、量子效率高的Eu3+离子与介孔TiO2结合，进一步降低电池内部紫外光诱导降解，提高电池光采集效率。
　　为提高稀土配合物的发光性能，在Phen-Eu(Ⅲ)体系中引入乙二胺，调控发光中心(Eu3+离子)周围微化学环境。通过分析配合物的光学性能发现，乙二胺的添加含量小于或者等于0.2 mmol时，配合物的荧光强度明显提高。但是过量的乙二胺与发光中心配位，会使发光中心趋于配位饱和，导致配体与发光中心之间的配位变困难，阻碍了配体向发光中心的有效能量传递，引起配合物的荧光性能下降。
　　通过在配体（1，10-邻菲罗啉）上引入不同特性取代基(5-硝基、5-甲基、4，7-二甲基、4，7-甲氧基和4，7-二苯基)改变配体结构，研究不同结构下配合物的发光性能。结果表明，供电子基团及共轭基团能够提高配合物电子云密度，使电子跃迁能级降低，增大配合物的紫外吸收系数。此外，这种取代基效应及共轭效应有助于提高配体与发光中心间的能级匹配程度，有效提升铕配合物分子内的能量传递效率，从而增强了配合物的发光性能。
　　选取紫外吸收能力强、发光强度大的配合物（铕-4，7-苯基-1，10-邻菲罗啉）制成透明光转换薄膜，采用下转换层前置模型应用在电池上，提高了电池的光采集效率，获得了11.8％的电流增益，光电转换效率达到15.44％。紫外光照10 h后，仍保持了初始效率的74％，稳定性明显提高。
　　为提高电池紫外光利用率，进一步降低内部紫外光诱导降解，将Eu引入介孔TiO2半导体制备TiO2∶Eu3+下转换发光材料，作为骨架层应用到钙钛矿太阳电池中。采用SEM、XRD、XPS和荧光光谱等表征手段深入研究了TiO2∶Eu3+下转换发光材料的晶体结构和发光性能。发现Eu3+离子没能掺杂到TiO2晶格中，而是附着在TiO2晶面上。同时TiO2能够诱导Eu3+离子发光,实现电池对紫外光的有效利用。电池的光伏数据分析表明，Eu掺杂TiO2可以增强电池的紫外光捕获效率，降低电池中TiO2产生的电子-空穴对对钙钛矿材料的氧化还原作用，同时抑制电子-空穴复合，提高电池开路电压，从而使电池获得更高的光电转换效率及紫外稳定性。然而过量掺杂Eu会使TiO2的晶界缺陷增加，TiO2中电子与CH3NH3PbI3中空穴复合的几率变大，不利于TiO2中的电子传输。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 太阳电池的研究现状

1．3 新型太阳电池

1．3．1 新型电池材料

1．3．2 新型材料的合成方法

1．3．3 新型太阳电池原理与结构

1．3．4 新型太阳电池性能的影响因素

1．4 新型太阳电池的能量损失

1．5 下转换在新型太阳电池中的建模及应用

1．6 本论文的选题依据和主要研究内容

第2章 下转换发光理论及研究方法

2．1 引言

2．2 下转换发光理论

2．2．1 稀土光谱理论与发光

2．2．2 稀土离子的能级跃迁

2．2．3 下转换发光机制

2．2．4 稀土配合物发光

2．2．5 能量传递机理

2．2．6 配合物发光影响因素

2．2．7 提高配合物发光的方法

2．3 下转换发光材料及电池表征方法

2．3．1 x射线衍射仪(XRD)

2．3．2 扫描电子显微镜(SEM)

2．3．3 透射电子显微镜(TEM)

2．3．4 X射线光电子能谱(XPS)

2．3．5 傅里叶变换红外光谱(FT-IR)

2．3．6 紫外-可见吸收光谱

2．3．7 荧光光谱和荧光寿命

2．3．8 荧光量子产率

2．3．9 瞬态吸收光谱

2．3．11 入射单色光-电子转换效率测试

2．4 本章小结

第3章 微化学环境调控影响Phen-Eu(Ⅲ)荧光性能

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验试剂

3．2．2 表征方法

3．2．3 配合物合成

3．3 乙二胺影响配合物结构分析

3．4 乙二胺影响配合物光吸收能力分析

3．5 乙二胺影响Phen-Eu(Ⅲ)配位键分析

3．6 乙二胺影响配合物发光性能分析

3．6．1 荧光衰减曲线

3．6．2 荧光强度

3．7 本章小结

第4章 不同结构取代基邻菲罗啉衍生物-铕荧光性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验试剂

4．2．2 表征方法

4．2．3 不同结构取代基配合物合成方法

4．3 不同结构取代基配合物结构分析

4．4 不同结构取代基配合物光吸收能力分析

4．5 不同结构取代基配合物配位键分析

4．6 不同结构取代基配合物发光性能分析

4．6．1 荧光衰减曲线

4．6．2 荧光强度

4．7 本章小结

第5章 基于下转换稀土配合物的钙钛矿太阳电池

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 实验试剂

5．2．2 表征方法

5．2．3 配合物光转换层制备

5．2．4 电池器件制备

5．3 配合物光转换层光谱响应范围分析

5．4 配合物光转换层光物理特性分析

5．5 配合物光转换层在PSC中的应用研究

5．5．1 配合物光转换层影响电池光电性能机理

5．5．2 配合物光转换层影响电池光响应分析

5．5．3 配合物光转换层影响电池光伏特性分析

5．5．4 配合物光转换层影响电池紫外稳定性分析

5．6 本章小结

第6章 基于铕掺杂介孔TiO2层的钙钛矿太阳电池

6．1 引言

6．2 实验部分

6．2．1 实验试剂

6．2．2 表征方法

6．2．3 TiO2：Eu3+发光材料制备

6．2．4 电池器件制备

6．3 TiO2：Eu3+下转换发光粉形貌及结构分析

6．4 Eu掺杂TiO2物相分析

6．5 TiO2：Eu3+发光材料的光物理特性分析

6．6 TiO2：Eu3+发光材料在电池中的应用研究

6．6．2 TiO2：Eu3+／CH3NH3PbI3复合薄膜中电子复合动力学分析

6．6．3 TiO2：Eu3+影响电池光电性能机理

6．6．4 TiO2：Eu3+影响电池光伏特性分析

6．6．5 TiO2：Eu3+影响电池紫外稳定性分析

6．7 本章小结

第7章 总结与展望

参考文献

博士期间发表的论文

致谢