适用于钙钛矿太阳能电池光阳极的制备及其器件研究

【摘要】：随着经济发展与社会进步，人类对能源的需求在不断增长。由于传统的能源的储量是有限的，同时使用传统能源会对环境造成极大的污染，因此需要发展新能源。太阳能取之无尽用之不绝、且使用时不会对环境造成污染，因而成为了新能源开发的重点。钙钛矿太阳能电池自2009年被首次报导以来，其光电转换效率由最初的3.8%飙升到现在的20.1%，这么显著的提升仅花费5年的时间。因其较高的光电转化效率、简单的制备工艺以及较低的制备成本，已然成为当今太阳能电池最热门的研究领域。 本论文重点研究了适用于钙钛矿太阳能电池的光阳极制备，并将制备的光阳极组装成电池器件，对其形貌进行了表征。具体研究内容如下： 1.通过化学水浴法以及水热法在FTO导电玻璃基底上生长了TiO2纳米结构薄膜。在合成过程中，通过改变钛源（TiCl3）和盐酸（HCl）的比例，得到了不同形貌的TiO2纳米结构薄膜。在最优化的反应条件下，我们在FTO导电基底上制备了分布均匀的TiO2纳米棒阵列。通过XRD图片分析得出TiO2纳米棒阵列是沿着(101)生长的锐钛矿与金红石混合相的钛矿与金红石混合相。通过SEM图片得出TiO2纳米棒阵列分布均匀，棒的直径约20nm，棒的高度约500nm。 2.通过水热法在FTO导电玻璃基底上生长了ZnO纳米结构薄膜。通过在合成的过程中选择不同的锌源（Zn(NO3)2.6H20）以及（CO(NH2)2）的配比实现在ZnO形貌调控。采用飞利浦的X-Perf Pro粉末X衍射仪（Philips X-Perf Pro X-raydiffractometer)对未退火以及退火之后的薄膜样品进行物相结构分析（激发源Cu-K,λ=1.54056);采用Sirion200型场发射扫描电子显微镜(TransmissionElectron Scanning Microscope,FESEM)对制备的样品的形貌进行分析（加速电压为15kV)。最终，通过对实验条件的控制，我们在FTO导电玻璃基底上制备了均匀且垂直生长的ZnO纳米片阵列。 3.利用氧化锌纳米片阵列制备钙钛矿太阳能电池光阳极，制备钙钛矿太阳能电池。通过液相两步法在ZnO薄膜上直接旋涂CH3NH3PbI3,然后旋涂Spiro-MeOTAD作为空穴传输层，最后，通过喷金作为电池的背电极，完成了电池器件制备。利用SEM对电池进行了表征，利用XRD对结果进行了初步的分析。 【关键词】：二氧化钛 纳米棒 氧化锌 纳米片 光阳极 钙钛矿太阳能电池
【学位授予单位】：淮北师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-26
• 1.1 研究背景11
• 1.2 太阳能电池的分类11-14
• 1.2.1 硅基太阳能电池11-12
• 1.2.2 多元化合物薄膜太阳能电池12
• 1.2.3 第三代太阳能电池12-13
• 1.2.4 小结13-14
• 1.3 太阳能电池的评价指标14-15
• 1.4 TiO_2的物化性质15-19
• 1.4.1 TiO_2的晶格结构与性能15-16
• 1.4.2 纳米TiO_2的性质16-17
• 1.4.3 纳米TiO_2的制备方法17-19
• 1.4.3.1 固相法17
• 1.4.3.2 液相法17-18
• 1.4.3.3 气相法18-19
• 1.5 ZnO的物化性质19-20
• 1.5.1 ZnO基本结构与性质19-20
• 1.5.2 纳米ZnO的制备方法20
• 1.5.2.1 水热法20
• 1.5.2.2 磁控溅射法20
• 1.5.2.3 分子束外延20
• 1.6 钙钛矿太阳能电池简介20-26
• 1.6.1 钙钛矿材料简介20-21
• 1.6.2 CH_3NH_3PbX_3的制备方法21-23
• 1.6.3 钙钛矿太阳能电池的器件结构23-26
• 1.6.3.1 介孔薄膜结构23-24
• 1.6.3.2 平面异质结结构24-26
• 第二章 TiO_2纳米棒阵列的制备及其形貌控制26-35
• 2.1 引言26
• 2.2 实验方法26-27
• 2.2.1 实验原料与仪器26-27
• 2.2.2 实验部分27
• 2.2.3 样品的表征27
• 2.3 实验结果与讨论27-34
• 2.3.1 化学水浴法实验结果与讨论27-32
• 2.3.1.1 TiCl_3添加量对样品形貌的影响28-29
• 2.3.1.2 化学水浴法HCl添加量对样品形貌的影响29-30
• 2.3.1.3 化学水浴法优化条件下制备的TiO_2纳米棒阵列30-31
• 2.3.1.4 TiO_2结构纳米棒阵列的XRD分析31-32
• 2.3.2 水热法实验结果与讨论32-34
• 2.3.2.1 优化条件下制备的TiO_2纳米片阵列32-33
• 2.3.2.2 TiO_2纳米片阵列的 XRD 分析33-34
• 2.4 本章小结34-35
• 第三章 ZnO纳米片的制备及其形貌控制35-42
• 3.1 引言35
• 3.2 实验部分35-36
• 3.2.1 主要试剂与仪器35-36
• 3.2.2 实验过程36
• 3.3 结果与分析36-41
• 3.3.1 不同的CO(NH_2)2浓度对样品形貌的影响36-37
• 3.3.2 不同锌源Zn(NO_3)_2.6H_20浓度对样品形貌的影响37-38
• 3.3.3 不同的反应温度对样品形貌的影响38-39
• 3.3.4 ZnO微球结构39-40
• 3.3.5 优化条件下ZnO纳米片阵列40-41
• 3.3.6 优化条件下样品的XRD分析41
• 3.4 本章小结41-42
• 第四章 基于ZnO纳米片阵列的钙钛矿太阳能电池制备研究42-47
• 4.1 引言42
• 4.2 实验设计42-43
• 4.3 实验部分43-47
• 4.3.1 实验药品与仪器43
• 4.3.2 器件的制备43-44
• 4.3.3 样品的表征与电池测试44-45
• 4.3.4 实验结果与讨论45-47
• 4.3.4.1 电池的扫描电镜分析45-46
• 4.3.4.2 钙钛矿薄膜的XRD分析46-47
• 第五章 总结47-48
• 参考文献48-53
• 致谢53-54
• 攻读硕士期间发表的论文54

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