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介观太阳能电池光吸收材料与介孔膜结构研究

曹昆  
【摘要】:介观太阳能电池包括染料敏化太阳能电池(dye-sensitized solar cell,简称DSSC)和在此基础上发展起来的介观钙钛矿太阳能电池(perovskite solar cell,简称PSC)等,具有低成本、易制备的特点受到了极大关注。典型的染料敏化太阳能电池包括:工作电极、电解质以及对电极。其中,工作电极又包括导电基底、介孔半导体膜以及吸附的染料。光照条件下,染料受光激发,电子从基态跃迁至激发态并快速注入到半导体导带中,完成电荷分离。因此,染料的性质以及半导体介孔膜结构将决定电池的光捕获能力和器件效率。对于介观钙钛矿太阳能电池,利用有机金属卤化物钙钛矿材料作为光吸收材料,这种材料具有诸多优点:比如直接带隙,在宽的可见光范围内具有大的吸光系数,高载流子迁移率以及双极性传输性质等。这些独特的性质使得钙钛矿太阳能电池的效率已经突破了20%。介观钙钛矿太阳能电池的结构以及钙钛矿材料组分将对电池器件的本征电学响应以及电池光电转换效率起到关键作用。因此,本文主要针对介观太阳能电池中的光吸收材料以及介孔膜结构进行了研究。本论文具体内容包括:以三苯胺为电子给体,设计合成了两种钌配合物染料KW1和KW2。三苯胺功能化的钌染料具有更好的光捕获能力。三苯胺基团与联吡啶之间不同的连接方式将影响染料分子的光物理和电化学性质。电化学阻抗谱以及暂态衰减测试表明,钌染料分子的结构变化将影响器件内部TiO2界面上的能级分布和电荷复合过程。介孔Ti02微球具有较高的染料吸附量,同时又具有一定的光散射能力。以介孔Ti02微球作为光阳极,利用其较强的可见光散射能力和电荷传输、收集能力,所制备DSSC效率要好于纳米颗粒组成的单层光阳极。MAPbI2Br (MA=CH3NH3)钙钛矿作为光吸收材料和空穴传输材料,制备了全印刷的介观钙钛矿太阳能电池。与纯碘的MAPbI3钙钛矿相比,Br原子掺杂导致钙钛矿材料发生相结构变化,具有更大的禁带宽度以及更长的载流子寿命,因此能提高全印刷介观PSC器件的开路电压和对环境湿度稳定性。通过简单的卤素交换后处理过程制备了不同Br掺杂比例的MAPbI3-xBrx钙钛矿材料并用于可印刷介观钙钛矿太阳能电池。MAPbI3-xBrx钙钛矿填充在介孔TiO2/Al2O3/Carbon框架中,具有更长的载流子寿命以及提高的电荷收集效率,能够提高电池效率。同时,Br掺杂对可印刷介观PSC器件J-V测试中的回滞现象有影响。通过电化学阻抗谱测试研究了不同Br掺杂的钙钛矿电池的界面动力学行为。将p型NiO半导体设置在Al2O3绝缘层与碳对电极之间,制备了基于TiO2/Al2O3/NiO/Carbon四层无机框架的全印刷介观钙钛矿太阳能电池。与只含Al2O3绝缘层的钙钛矿太阳能电池相比,TiO2/Al2O3/NiO/Carbon结构钙钛矿太阳能电池中界面电荷复合反应明显减少,因此可以提高全印刷介观钙钛矿太阳能电池的效率至15.03%。


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