有机无机杂化钙钛矿成膜前的界面修饰及其器件光伏特性

【摘要】：有机无机杂化钙钛矿太阳能电池是近些年发展迅速的一类新型太阳能电池,具有光电转换效率高,生产成本低,可湿法制备等优点。界面修饰是提高电子的有效注入和抑制电子反向复合进而提高电池效率和稳定性的有效途径。本论文针对钙钛矿成膜前界面上电荷注入、反向复合、能级匹配等相关的关键科学问题,开展了钙钛矿成膜前的界面修饰及其器件光伏特性的研究,重点研究了碳酸铯(Cs_2CO_3),聚氧化乙烯(PEO)和氨基酸分子作为界面修饰材料,对TiO2多孔薄膜和TiOx致密层界面上电子过程的影响及其作用机制。主要研究成果如下:(1)研究了Cs_2CO_3界面修饰层对TiO2多孔薄膜的界面修饰作用。XPS结果表明,Cs_2CO_3物理包覆在TiO2多孔薄膜表面,形成界面修饰层。优化条件下制备的钙钛矿太阳能电池同空白器件相比开路电压和短路电流都有提高,光电转换效率从11.9%提高到了14.2%。暗电流曲线、交流阻抗谱研究结果表明,Cs_2CO_3界面修饰层起到阻挡层的作用,增加了电池的反向复合电阻,有效减小了电池内钙钛矿成膜前界面上的反向复合电流,从而提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率。(2)研究了高分子聚合物PEO作为界面修饰材料对TiOx致密层的界面修饰效果。XPS结果表明,PEO和TiOx在界面上存在一定的电荷共享或转移,从而有利于电子穿过PEO界面修饰层向TiOx致密层的注入。UPS结果表明,PEO修饰后TiOx的功函减小了0.9 eV,这可以归因于表面上偶极层的形成。PEO修饰的电池器件短路电流提升明显,平均值从17.1 mA/cm2提高到19.0 mA/cm2。暗电流曲线、交流阻抗谱分析表明,短路电流的提高是因为PEO界面修饰后抑制了电池内的反向电流,增加了电池的复合电阻,有效提高了电池内部的电荷收集效率。(3)研究了氨基酸分子自组装对TiOx致密层的界面修饰效果。几种水溶性氨基酸中,丙氨酸界面修饰效果最为明显。UPS结果表明,丙氨酸修饰使TiOx电子传输层功函减小了约0.2 eV,同钙钛矿层的能级更加匹配。稳态和瞬态光致发光光谱结果表明,丙氨酸修饰有利于电子的正向注入,使得电池的短路电流显著增加,从而提高电池器件的光电转换效率。丙氨酸分子上氨基对于界面修饰效果有重要影响,相比α-丙氨酸,β-丙氨酸修饰的TiOx致密层的功函与钙钛矿层LUMO更加接近,而且氨基可能与钙钛矿层相互作用,这都有利于界面上电荷的正向注入。 【关键词】：有机无机杂化钙钛矿 太阳能电池 界面修饰 反向复合
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 主要符号对照表9-10
• 第1章 引言10-35
• 1.1 钙钛矿太阳能电池10-27
• 1.1.1 太阳能电池概述10-15
• 1.1.2 钙钛矿太阳能电池的发展15-17
• 1.1.3 钙钛矿太阳能电池的器件结构17-21
• 1.1.4 钙钛矿层的制备方法21-23
• 1.1.5 钙钛矿材料的晶体结构，半导体特性23-24
• 1.1.6 钙钛矿太阳能电池的工作原理24-27
• 1.2 钙钛矿太阳能电池中的界面问题研究现状27-34
• 1.2.1 钙钛矿成膜前界面上关键科学问题及界面修饰28-32
• 1.2.2 钙钛矿成膜后界面上关键科学问题及界面修饰32-34
• 1.3 论文的研究思路及主要内容34-35
• 第2章 实验方法35-44
• 2.1 试剂与仪器35-38
• 2.1.1 主要试剂35-36
• 2.1.2 主要仪器36-38
• 2.2 材料的选择和制备38-39
• 2.2.1 FTO玻璃的刻蚀及清洗38
• 2.2.2 碘化甲胺的合成38-39
• 2.3 钙钛矿太阳能电池器件的制备39-42
• 2.3.1 二氧化钛致密层的制备39-40
• 2.3.2 二氧化钛多孔薄膜的制备40
• 2.3.3 二步法制备CH_3NH_3PbI_3钙钛矿层40-41
• 2.3.4 三氧化二铝多孔薄膜的制备41
• 2.3.5 一步法制备CH_3NH_3PbI_(3-x)Cl_x钙钛矿薄膜41
• 2.3.6 空穴传输材料的制备及对电极蒸镀41-42
• 2.4 钙钛矿薄膜太阳能电池的基本表征方法42-44
• 2.4.1 I-V曲线的测试42
• 2.4.2 暗电流曲线的测试42
• 2.4.3 单色光光电转换效率(IPCE)的测试42-43
• 2.4.4 电化学交流阻抗谱的测试43
• 2.4.5 X射线光电子能谱（XPS）和紫外光电子能谱（UPS）43-44
• 第3章 钙钛矿成膜前Cs_2CO_3的界面修饰及其器件光伏特性44-55
• 3.1 TiO2纳米多孔薄膜上CS_2CO_3修饰层的制备及表征44-46
• 3.1.1 Cs_2CO_3界面修饰层的制备44-45
• 3.1.2 Cs_2CO_3界面修饰层XPS表征结果45-46
• 3.1.3 Cs_2CO_3界面修饰对多孔薄膜透光性的影响46
• 3.2 CS_2CO_3界面修饰对钙钛矿层成膜的影响46-49
• 3.3 钙钛矿成膜前CS_2CO_3界面修饰对器件光伏特性的影响49-52
• 3.4 钙钛矿成膜前CS_2CO_3界面修饰对反向复合反应的影响52-54
• 3.5 本章小结54-55
• 第4章 钙钛矿成膜前PEO的界面修饰及其器件光伏特性55-69
• 4.1 PEO界面修饰过程55-57
• 4.2 PEO界面修饰对TIOX致密层的影响57-61
• 4.3 PEO界面修饰对电池器件光伏特性的影响61-64
• 4.4 PEO界面修饰对电池器件电荷正向传输和反向复合的影响64-67
• 4.5 本章小结67-69
• 第5章 氨基酸分子自组装的界面修饰及其器件光伏特性69-81
• 5.1 氨基酸分子自组装的制备及表征70-71
• 5.2 氨基酸分子界面修饰后器件的光伏特性71-72
• 5.3 丙氨酸分子界面修饰对TIOX致密层和钙钛矿层的影响72-76
• 5.4 丙氨酸分子自组装修饰对钙钛矿层电子注入的影响76-78
• 5.5 氨基对器件光伏性能的影响78-79
• 5.6 本章小结79-81
• 第6章 其它相关工作：ZnO微纳复合结构光阳极的研究81-97
• 6.1 ZnO纳米纺锤体的可控合成及其光伏特性82-87
• 6.1.1 ZnO纳米纺锤体的合成83
• 6.1.2 反应条件对ZnO纳米纺锤体尺寸大小，分布的影响83-84
• 6.1.3 不同尺寸纳米纺锤体制备光阳极及表征84-86
• 6.1.4 基于不同尺寸ZnO复合光阳极的制备86-87
• 6.2 纳米棒-纳米颗粒复合光阳极的制备及其光电特性87-91
• 6.2.1 纳米棒-纳米颗粒复合光阳极的制备过程88-89
• 6.2.2 反应条件对产物形貌的影响89-90
• 6.2.3 光阳极敏化后光吸收和电子传输结果90-91
• 6.2.4 基于纳米棒和复合光阳极的电池器件光伏特性91
• 6.3 用Zn(OH)42-直接构建纳米片球簇复合结构91-95
• 6.3.1 纳米片簇复合结构制备过程92
• 6.3.2 反应条件对产物形貌的影响92-94
• 6.3.3 不同温度下产物的光散射特性和比表面积94-95
• 6.3.4 不同温度下产物的光伏特性95
• 6.4 本章小结95-97
• 第7章 结论97-99
• 7.1 主要结论97-98
• 7.2 展望98-99
• 参考文献99-111
• 致谢111-113
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果113-114

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