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在二氧化钛多孔层制造人工孔从而获得高效钙钛矿太阳能电池

马佳慧  
【摘要】:基于有机-无机杂化钙钛矿材料(CH3NH3PbX3,X=I,Br,Cl)制备的太阳能电池,因其较高的光吸收系数,较高的光电转换效率以及较低的成本得到了广泛的关注。其中介孔钙钛矿太阳能电池是最常规的钙钛矿太阳能电池,发展最早,可达到的光电转换效率较为理想,成为光伏发电领域的希望之星。研究发现,对于介孔钙钛矿太阳能电池而言,介孔层担负着极其重要的作用,它不仅是电子传输层,更是染料的支撑框架。多孔层的孔隙可以引导钙钛矿的晶粒生长,从而影响钙钛矿的结晶性和形貌。本研究的目的就是增大多孔层孔的尺寸及数量,提高钙钛矿的覆盖率,增大钙钛矿的晶粒尺寸,从而加强载流子的扩散,减少载流子的复合,最终增大短路电流密度,获得较高的效率。 本论文采用的新颖方法是在TiO2多孔层旋涂溶液中加入碳纳米管,纳米石墨以及乙炔黑三种碳材料,经过高温烧结除去碳材料,在电子传输层制造更多的人工孔,从而获得高效的钙钛矿太阳能电池。研究结果如下: 1、通过一系列的实验,优化了加入碳材料的量,多孔层的厚度以及空穴传输材料的选取。我们将实验中加入三种碳材料的量定为TiO2的10wt%,将TiO2浆料与EtOH的质量比设定为1:3,同时选用OMeTAD作为实验的空穴传输材料。这样的实验结果不仅确定了核心实验的实验条件,也为钙钛矿太阳能电池的相关研究提供一定的参考依据。 2、对比三种碳材料在造孔性上的差别,发现乙炔黑要优于纳米石墨和碳纳米管。扫描电子显微镜照片显示出四种不同孔隙结构的钙钛矿薄膜的晶粒尺寸和覆盖率也不相同。这说明TiO2层孔隙结构很大程度上影响着钙钛矿薄膜的形貌和结晶性。在未添加碳材料,添加碳纳米管、添加纳米石墨、添加乙炔黑的介孔层上分别制备器件,四种器件的光电流衰减时间分别为0.102ms、0.098ms、0.037ms、0.027ms,光电压衰减时间分别为1.36ms、1.85ms、2.71ms、5.29ms。测试结果说明造孔后载流子的扩散增强,同时电子空穴的复合下降。器件的短路电流密度分别为11.5mA/cm2、13.6mA/cm2、14.4mA/cm2和16.6mA/cm2。光电转换效率由最初的7.91%分别提升至9.35%、9.98%和11.6%,效果显著。 这一研究工作说明了介孔层孔结构的重要性,同时也提供了一种方法来控制孔的结构,提高钙钛矿的覆盖率,改变二氧化钛和钙钛矿膜的形貌,从而提高器件的光电转换效率。


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