新型叠合式钙钛矿太阳能电池及其光电性能研究

【摘要】：钙钛矿太阳能电池(perovskite solar cells, PSCs)是近几年迅速发展起来的新型薄膜光伏器件。由于其光电转换效率高,制备工艺简单,成本低廉,被认为是非常有前景的第三代太阳能电池。在PSCs众多研究课题中,电池构型的设计对其光电性能有十分重要的影响。目前,虽然平板和多孔两种构型钙钛矿电池的光电转换效率都发展到20%左右,但对于电池结构和不同吸光材料间的匹配性问题却缺乏系统的研究和认知。此外,上述两种构型的PSCs金属电极制备过程能耗大、需要高真空条件,非常不利于电池的规模化生产。本论文对基于两种基本结构和两种常见光吸收材料的PSCs进行系统研究,揭示了不同吸光材料与电池结构间的匹配性规律；在确定最优电池结构的基础上,我们设计并制备了新型叠合式钙钛矿电池,大大简化了电池的制备工艺,有利于钙钛矿电池的产业化发展。首先,我们系统研究了基于不同构型和吸光材料的四种PSCs的光电特性。从吸光层的形貌、结晶性、光吸收和内部电荷分离机制方面进行深入分析,发现当使用CH3NH3PbI3作吸光层时,基于多孔结构的钙钛矿薄膜结晶性变好,光生电子也可以更有效的注入Ti02中。而对于CH3NH3Pbl3-xClx钙钛矿,多孔Ti02的引入反而不利于内部光生电子的分离。对四种电池的光电性能进行表征,基于多孔结构的CH3NH3PbI3电池效率高达14.05%,而平板结构的效率只有6.76%。相反的,当使用CH3NH3PbI3-xClx做光敏剂时,平板结构的PSCs效率达到了12.67%,而多孔结构的效率只有7.87%。由此可以知道,使用常规的方法制备PSCs时,CH3NH3PbI3吸光层更适用于多孔结构,而CH3NH3PbI3-xClx则在平板结构中有更好的光电性能。其次,我们设计了一种通过简单叠合两块电极而制备的PSCs,其中一块电极由不同背基板和PEDOT:PSS组成,另一块由FTO、TiO2、钙钛矿、Spiro-MeOTAD和PEDOT:PSS组成。我们对两个电极的界面,即两层PEDOT:PSS界面进行研究,发现当PEDOT:PSS表面较为粗糙时,可以更有效的传输空穴。对FTO、铝箔纸、铜箔、ITO-PEN、钢板、铝板、铜板共七种柔性和刚性背基板组装电池并进行J-V表征,铝箔纸表现了最好的光电性能,其最高能量转换效率达到10.88%,开路电压、短路电流密度和填充因子分别为0.82 V、19.17 mA cm-2和0.69。对基于不同基板的PSCs进行EIS表征,发现铝箔纸和PEDOT:PSS界面之间的回传电阻最小。和传统的制备方法相比,叠合式PSCs制备成本低廉,无需真空,而且可以灵活的设计电极的纳米结构。 【关键词】：钙钛矿太阳能电池 结构设计 匹配性 叠合式PSCs
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-23
• 1.1 课题的研究背景9-10
• 1.2 钙钛矿太阳能电池10-21
• 1.2.1 PSCs结构及工作原理11-12
• 1.2.2 各组件及其研究现状12-17
• 1.2.3 钙钛矿吸光层与新型器件结构的研究现状17-21
• 1.3 课题研究内容及意义21-23
• 2 实验方法23-28
• 2.1 材料、试剂和设备23-25
• 2.1.1 实验材料23
• 2.1.2 实验试剂23
• 2.1.3 实验设备23-25
• 2.2 分析测试方法25-28
• 2.2.1 光电流密度-光电压曲线(J-V)25
• 2.2.2 入射单色光子-电子转化效率(IPCE)25-26
• 2.2.3 紫外可见吸收光谱(UV-VIS)26
• 2.2.4 X射线衍射分析(XRD)26
• 2.2.5 扫描电子显微镜(SEM)26
• 2.2.6 电化学阻抗谱(EIS)26
• 2.2.7 线性伏安测试(LSV)26-27
• 2.2.8 时间分辨荧光光谱(PL谱)27-28
• 3 CH_3NH_3PbI_3和CH_3NH_3PbI_(3-x)Cl_x钙钛矿在不同结构PSCs中的匹配性研究28-38
• 3.1 引言28
• 3.2 实验部分28-30
• 3.2.1 致密层溶胶及碘甲胺(CH_3NH_3I)的合成28-29
• 3.2.2 器件制备29-30
• 3.3 结果与讨论30-36
• 3.3.1 四种电池截面和钙钛矿表面形貌分析30-31
• 3.3.2 不同钙钛矿XRD分析31-32
• 3.3.3 不同构型电池的钙钛矿层紫外-可见吸收光谱分析32-33
• 3.3.4 四种电池光电性能表征33-35
• 3.3.5 电子转移机理研究35-36
• 3.4 本章小结36-38
• 4 叠合式钙钛矿太阳能电池的器件制备及光电性能研究38-52
• 4.1 引言38
• 4.2 实验部分38-39
• 4.2.1 叠合式PSCs的制备38-39
• 4.3 结果与讨论39-51
• 4.3.1 叠合式PSCs器件的结构优化39-41
• 4.3.2 PEDOT：PSS厚度(包括layer Ⅰ和layer Ⅱ)对电池性能的影响41-43
• 4.3.3 PEDOT：PSS形貌对电池性能的影响43-46
• 4.3.4 不同背电极基板光电性能表征46-48
• 4.3.5 不同背基板的电化学阻抗表征48-50
• 4.3.6 不同背基板电池暗态下的J-V表征50-51
• 4.4 本章小结51-52
• 结论52-53
• 参考文献53-59
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况59-60
• 致谢60-61

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