介孔钙钛矿太阳电池及新型氧化物太阳电池的研究

摘要

能源危机和环境污染是人类面临的两大难题。太阳能因其绿色、分布相对广泛等特点被认为是最有前景的新能源之一。而将太阳能转化为电能的太阳电池一直被认为是提供清洁可再生能源最有效的方式之一。
　　有机无机卤素铅钙钛矿(CH3NH3PbX3，X=Cl，Br,I)材料具有高的光吸收系数、较长的电荷扩散长度、合适的禁带宽度和可采用溶液法加工等优点被应用到薄膜太阳电池中。钙钛矿材料组成的元素在地球上含量丰富且其容易采用简单的低温溶液法制备。最近，钙钛矿太阳电池的光电转换效率在短短的几年内，已从开始的3.8％飙升到20％。
　　本文从不同CH3NH3PbI3钙钛矿形貌对钙钛矿太阳电池光伏性能的影响研究角度出发，采用传统的一步和两步法，制备出不同形貌的CH3NH3PbI3钙钛矿层。通过电化学阻抗谱分析了不同形貌的钙钛矿对太阳电池内部电荷复合动力学过程的影响。结果表明，两步法制备的四方晶形CH3NH3PbI3完全覆盖在介孔TiO2薄膜表面，阻碍了空穴传输材料与TiO2的接触，在一定程度上抑制电荷复合。导致两步法制备的钙钛矿太阳电池的开路电压要比一步法的高。
　　介孔TiO2作为电子传输材料和骨架层对钙钛矿太阳电池的性能有着重要的影响。因此，开发和制备可替代TiO2的高效电子传输材料是获得高效钙钛矿太阳电池的有效途径之一。本论文采用介孔SnO2薄膜作为电子传输材料、CH3NH3PbI3作为光吸收材料和spiro-OMeTAD作为空穴传输材料，制备了结构为FTO/SnO2/CH3NH3PbI3/spiro-OMeTA/Au的固态钙钛矿电池。通过优化介孔SnO2薄膜的膜厚和以及利用TiCl4对其表面处理，获得17.38 mA/cm2的短路电流密度和接近1V的开路电压，且电池的光电转换效率超过10％。电化学阻抗谱结果表明:经TiCl4水溶液处理介孔SnO2薄膜表面将其钝化后，可有效抑制空穴传输材料、钙钛矿与SnO2薄膜之间的复合，从而有效提高了电池的开路电压。
　　在此基础上，本论文采用热注入法合成了胶体PbS量子点，并将其作为介孔结构的钙钛矿太阳电池的空穴传输材料来替代传统的高成本有机小分子spiro-OMeTAD，制备成钙钛矿/量子点杂化太阳电池。同时，研究了CH3NH3PbI3帽子层不同形貌对TiO2与PbS空穴传输材料界面间复合动力学过程，以及对钙钛矿太阳电池光伏性能的影响。本工作指出了抑制钙钛矿/量子点杂化太阳电池中复合过程的重要性。
　　钙钛矿材料对水分敏感，从而导致钙钛矿材料在湿度较大的环境中很快降解。因此，本论文从一个全新的角度出发，采用连续离子吸附沉积法(SILAR)分别在纳米晶TiO2和SnO2多孔薄膜上沉积了具有稳定化学性质、无毒、原材料材料丰富的金属氧化物半导体钒酸铋(BiVO4)层，作为吸光材料，制备了BiVO4氧化物薄膜太阳电池。采用紫外可见吸收光谱、XRD和TEM等表征手段深入研究了BiVO4/TiO2异质结的光学性质和晶体结构。结果表明BiVO4可以作为一种有效的敏化剂应用到介孔薄膜太阳电池中。该研究结果不但提供了一种简单制备氧化物BiVO4量子点的方法，并且为制备稳定的新型低带隙氧化物薄膜太阳电池提供了一种简单有效的制备方法。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 可再生能源与太阳能的研究背景

1．2 太阳电池的分类

1．2．1 硅基太阳能电池

1．2．2 多元化合物薄膜太阳电池

1．2．3 有机聚合物太阳电池

1．2．4 染料敏化太阳电池

1．4 新型太阳电池

1．4．1 有机无机卤素铅钙钛矿太阳电池

1．4．1 半导体量子点太阳电池

1．4．3 窄带隙金属氧化物太阳电池

1．5 本论文研究内容和意义

第2章 新型太阳电池的制备及性能表征

2．1 钙钛矿太阳电池的结构和工作机理

2．2 量子点敏化太阳电池的结构和工作机理

2．2 新型太阳电池的组成部分和制备方法

2．2．1 光吸收材料

2．2．2 太阳电池的电子传输材料

2．2．3 太阳电池的空穴传输材料

2．2．4 太阳电池的对电极

2．2．5 钙钛矿太阳电池的制备

2．2．6 量子点敏化太阳电池的制备

2．3 电池性能测试方法和材料性能表征

2．3．1 太阳电池的I-V曲线

2．3．2 太阳电池的入射单色光光电转换效率

2．3．3 太阳电池的电化学阻抗谱

2．3．4 瞬态吸收光谱

2．4 本章小结

第3章 不同钙钛矿形貌对钙钛矿电池性能的影响

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验材料

3．2．2 器件制备

3．2．3 表征和测试方法

3．3 结果与讨论

3．4 本章小结

第4章 基于介孔氧化锡电子传输材料的钙钛矿太阳电池

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验材料

4．2．2 器件制备

4．2．3 表征和测试方法

4．3 结果与讨论

4．4 本章小结

第5章 硫化铅量子点作为空穴传输材料在钙钛矿电池中的应用

5．1 前言

5．2．实验部分

5．2．1 实验材料

5．2．2 器件制备

5．2．3 表征和测试方法

5．3 结果与讨论

5．4．本章小结

第6章 基于钒酸铋的新型氧化物太阳电池

6．1 引言

6．2 实验部分

6．3 结果与讨论

6．3．1 基于BiVO4敏化介孔TiO2的氧化物太阳电池

6．3．2 基于BiVO4敏化介孔SnO2的氧化物太阳电池

6．3．3 BiVO4阵列的制备及其钙钛矿太阳电池中的应用

6．4 本章小结

第7章 全文总结与展望

7．1 全文总结

7．2 展望

参考文献

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

致谢