宽光谱响应光电功能薄膜的制备及其光伏性能研究

摘要

近些年来，由于晶硅电池与无机化合物薄膜电池的高成本、高污染等问题日益凸显，针对低成本、长寿命、绿色高效的第三代新型薄膜太阳能电池的开发成为全世界研究的焦点。其中一个问题是，第三代新型太阳能电池采用的光电功能薄膜普遍仅能响应可见光，导致占太阳光谱总能量约一半的红外光无法被充分利用，进而限制了其光伏性能极限的突破。因此，开发具有宽光谱响应的光电功能薄膜对于进一步提高太阳能电池的光伏性能具有重要意义。对此，本文围绕宽光谱响应光电功能薄膜的制备及其光伏性能这一关键课题展开了一系列研究，具体进展如下:
　　1.制备了一种具有3D星型形貌、等离子增强的上转换材料Y2O3∶Er/Au@TiO2(SYE/A@T)，并将其与亚微米TiO2(200nm)混合构建了多功能散射层用于制备TiO2基染料敏化太阳能电池(DSSC)光阳极薄膜。在此SYE/A@T材料中，Au纳米颗粒可以通过自身的等离子效应增强Y2O3∶Er的上转换发光，同时TiO2包覆层可以改善Y2O3∶Er的电子传输和染料吸附。因此，添加了SYE/A@T材料的光阳极薄膜不仅光散射能力大大增强，而且表现出拓展至近红外区的光捕获范围，最终导致DSSC光伏性能提升。在最优的SYE/A@T添加量条件下，相应DSSC器件获得了8.62％的光电转换效率，相对于未使用SYE/A@T的电池提升了27.6％。
　　2.开发了一种混杂洗膜溶剂方法用于制备平面基底超平钙钛矿薄膜。我们在一步旋涂以DMF/DMSO为共溶剂的CH3NH3PbI3前驱液过程中，通过滴加混杂洗膜溶剂（正己烷与氯苯混合物）来调控DMSO-PbI2-MAI中间相薄膜的形貌与组成，得到了纯的中间相产物DMSO-PbI2-MAI，以此诱导后续退火过程中钙钛矿的同步结晶，从而获得表面形貌超平的钙钛矿薄膜，其RMS粗糙度仅为7.3nm。形貌、时间分辨荧光、电化学阻抗以及强度调制瞬态光电流谱的分析结果表明，这种超平的钙钛矿薄膜电池器件内部的层间接触更为紧密，ZnO/CH3NH3PbI3/spiro-OMeTAD界面电荷转移更为高效。最终，相应的平面异质结PSC获得了优异的且重复性高的光伏性能，光电转换效率最高达到16.93％，平均值达16.36％。
　　3.首次制备了原位内嵌β-NaYF4∶Yb，Er上转换纳晶(UCNCs)的钙钛矿复合薄膜。我们采用配体交换处理得到了CH3NH3I包覆的UCNCs并将其添加到CH3NH3PbI3钙钛矿前驱液中，在旋涂成膜过程中，UCNCs作为成核位点诱导了钙钛矿晶体的异质外延生长，同时也被原位嵌入到钙钛矿薄膜中。最终制得的钙钛矿薄膜不仅均匀致密，晶粒尺寸显著增大，更重要的是内嵌的UCNCs可以辅助吸收近红外光。此钙钛矿薄膜组装的平面PSC在AM1.5G光照下获得了19.70％的光电转换效率，相比原始钙钛矿组装的电池性能提高了46％;在980nm激光照射下，器件获得了0.37％的光电转换效率，是原始器件的740倍。重要的是，在相对湿度40％空气条件下连续暴露33天后，器件仍然保持最高性能的81％，表明这种方法制备的UCNCs内嵌钙钛矿薄膜及相应电池器件具有良好的空气稳定性。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 光电功能薄膜简介

1．2．1 半导体的内光电效应

1．2．2 光电功能薄膜的发展历程

1．3 染料敏化半导体复合薄膜

1．3．1 半导体的染料敏化作用

1．3．2 染料敏化半导体薄膜的结构和组成

1．3．3 染料敏化半导体薄膜的光电转化应用

1．4 有机无机杂化钙钛矿基薄膜

1．4．1 有机无机杂化钙钛矿

1．4．2 钙钛矿薄膜的结构

1．4．3 钙钛矿薄膜的制备

1．4．4 有机无机杂化钙钛矿基薄膜的光电转化应用

1．5 染料敏化半导体薄膜的响应光谱拓宽

1．5．1 全色染料分子工程

1．5．2 染料共敏化

1．5．3 量子点敏化

1．5．4 上转换发光材料集成

1．5．5 局域表面等离子增强效应

1．6 有机无机杂化钙钛矿薄膜的响应光谱拓宽

1．6．1 钙钛矿能带调控

1．6．2 上转换材料集成

1．7 论文选题的目的、意义及研究内容

第二章 实验涉及的材料、仪器以及方法

2．1 实验涉及的主要材料和仪器

2．2 实验涉及的主要表征方法

2．2．1 形貌表征

2．2．2 晶体结构表征

2．2．3 元素分析

2．2．4 光谱分析

2．3 太阳能电池器件的组装与测试

2．3．1 太阳能电池器件的组装

2．3．2 太阳能电池器件的光电性能测试

第三章 3D上转换材料／TiO2复合光阳极的制备及其光伏性能

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．2 多功能散射层光阳极的制备与DSSC电池组装

3．3 实验结果与讨论

3．3．1 SYE／A@T材料的结构形貌表征

3．3．2 Y2O3：Er／Au@TiO2的元素分析

3．3．4 Y2O3：Er／Au@TiO2的上转换发光特性表征

3．3．5 DSSC光伏性能研究

3．4 本章小结

第四章 超平钙钛矿薄膜的制备及其光伏性能

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．2 ZnO致密层的制备

4．2．3 钙钛矿层薄膜的制备

4．2．4 PHJ-PSC器件组装

4．3 实验结果与讨论

4．3．1 不同单一组分洗膜溶剂辅助制备的钙钛矿薄膜的表征

4．3．2 中间相薄膜成分表征

4．3．3 HRS法制备钙钛矿薄膜工艺的优化

4．3．4 PHJ-PSC器件的光伏性能

4．3．5 器件性能提升的原因分析

4．3．6 器件迟滞效应、光稳定性与再现性

4．4 本章小结

第五章 内嵌上转换纳晶／钙钛矿复合薄膜的制备及其光伏性能

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．3 MAI-UCNCs内混合的钙钛矿前驱溶液的配制

5．2．4 UCNCs内嵌钙钛矿薄膜制备及其PHJ-PSC器件组装

5．3 实验结果与讨论

5．3．2 MAI-UCNCs表征

5．3．3 内嵌UCNCs的钙钛矿薄膜的表征

5．3．4 UCNCs内嵌PHJ-PSC的光伏性能表征

5．3．5 UC-20器件光伏性能提升原因分析

5．3．6 UC-20器件的近红外光伏性能表征

5．3．7 UC-20器件的空气稳定性

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者与导师简介