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基于钙钛矿的有机无机杂化太阳能电池的制备和性能研究

刘舟  
【摘要】:全球性的能源短缺、环境污染等问题使得太阳能这一清洁、无害的高效绿色能源成为了最理想的替代能源。针对太阳能电池的摸索与改进成为了各国科学家讨论和研究的热点。近年来,钙钛矿太阳能电池的问世打破了人们对传统薄膜太阳能电池的认知,且电池效率不断攀升。目前,钙钛矿太阳能电池的最高有效率突破了20%。使得人们在惊异于其效率之高的同时开启了钙钛矿太阳能电池的研究热潮。但是,迄今为止关于钙钛矿太阳能电池的研究仅局限于较小的范围,其内部结构和原理仍有待探索、发现。为此,本论文展开了钙钛矿制备方法的研究以及电池结构的组成和工艺的优化,并取得了如下研究进展:(1)采用溶胶凝胶法制备了二氧化钛致密层(compact layer, CL)和二氧化钛多孔层(mesoporous layer, ML)。通过旋涂TiO2 CL层前驱液,煅烧后形成结构致密、厚度约为120nm的二氧化钛致密层;旋涂TiO2ML层前驱液,经煅烧后形成分布均匀、具有介孔结构的二氧化钛多孔层。厚度控制在180nm至460nm范围内。(2)以甲胺醇和氢碘酸为原材料反应生成CH3NH3I,通过旋蒸得到CH3NH3I的白色晶体,再用无水乙醇和无水乙醚对粗产品进行重结晶提纯。真空干燥后,得到纯净的CH3NH3I晶体。(3)采用两步法生成钙钛矿吸收层,负载于二氧化钛多孔层上,旋涂完Spiro-MeOTAD后,对电池进行封装测试。并对两步法形成钙钛矿时的浸泡时间进行调节、优化。随着浸泡时间的增长,钙钛矿层厚度先增加,后减少。且浸泡时间过短时,碘化铅反应不完全。通过实验得知,当浸泡60s时为最优浸泡时间。对二氧化钛多孔层厚度进行调节、优化。当二氧化钛多孔层前驱液分别旋涂1、2、3次时,其厚度分别为180nm、380nm、460nm。形成的钙钛矿的厚度也随之增加。实验得知,当二氧化钛多孔层厚度约为380nm时,钙钛矿太阳能电池的效率最优。综合以上两项优化条件,光电转换效率最高为11.1%。


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