TiO_2和ZnO纳米结构的制备及其在有机—无机杂化钙钛矿太阳能电池中的应用

【摘要】：钙钛矿太阳能电池(PerovskiteSolarCell,PSC)自2009年被首次报道以来,其光电转换效率(Photoelectric ConversionEfficiency,PCE)已经突破到现在的22.1%,仅仅只用了 7年的时间PCE就提高了 6倍,其发展前景由此可见。除此之外,PSC制备工艺简单,成本低的和稳定性优良,已成为当今太阳能电池研究领域中的热门。在PSC的研究探索中,研究人员发现PSC的结构组成与性质对光电性能影响显著,其中,介孔层作为骨架吸附钙钛矿,同时吸收和传输电子。因此,介孔层的结构与形貌不仅影响钙钛矿层的形貌,同时决定了电子扩散系数和电子寿命。本论文的研究内容如下:1.水热法在有TiO2种子层的FTO上生长了 TiO2纳米棒阵列(Nanorods Array,NRAs)薄膜。然后,通过在一步法在阵列薄膜上旋涂CH3NH3PbI3层。最后,通过刮涂法制备C对电极,完成了电池器件制备。用XRD,FE-SEM,UV-Vis测试薄膜的形貌和性能。在水热合成过程中,通过控制水热时间,得到了不同长度的TiO2NRAs薄膜。XRD检测发现TiO2 NRAs是沿着(101)晶面生长的金红石型TiO2。SEM检测发现TiO2 NRAs生长均匀,棒的直径约30 nm,棒的高度随着反应时间延长而增加,当反应时间从50 min增加到90 min,纳米棒的长度从192 nm增加到了 1234 nm。UV-Vis表明,钙钛矿对光的吸收和纳米棒阵列薄膜的长度有关,当纳米棒的厚度为688nm时,钙钛矿的对光的吸收量最大。同时,通过电化学工作站测试得出,当纳米棒的厚度为688 nm时,电池的效率最大,PCE 为 8.56%,其 Jsc 为 19.93 mA/cm2,Voc 为 895 mV,FF 为 48%。实验表明,光阳极的厚度直接影响着电池的光电性能,当纳米棒阵列的厚度为688 nm时,电池有最佳的光电性能。2.水热法在有ZnO种子层的FTO上生长ZnO纳米棒阵列(Nanorods Array,NRAs)薄膜。然后,通过在一步法在阵列薄膜上旋涂CH3NH3PbI3。最后,通过刮涂法制备C对电极,完成了电池器件制备。通过XRD,FE-SEM,UV-Vis测试薄膜的形貌和性能。在合成的过程中控制不同反应时间来制备不同长度的ZnO NRAs薄膜。XRD分析得出ZnONRAs是纤锌矿型ZnO。SEM分析得出随着反应时间的进行,ZnONRAs分布由稀疏状态慢慢变为均匀状态,棒的高度随着反应时间延长而增加,当反应时间从180 min增加到240 min,纳米棒的长度从100 nm左右生长到了 700 nm左右。通过UV-Vis表明,当阵列的长度为454 nm时,钙钛矿有最大的光吸收性。电化学工作站测试得到,厚度为454nm是阵列的最佳厚度,电池的PCE最大为6.18%,其Jsc为14.241 mA/cm2,Voc为945 mV,FF为46%。电池的最大PCE对应的ZnO NRAs薄膜厚度为454 nm。UV-Vis和电化学工作站表明,纳米棒阵列的长度为454 nm时,电池的光电性能最好。3.水热法制备了空心盒状TiO2粉末和花椰菜状TiO2粉末,并将其制备成光阳极薄膜,研究了不同形貌的光阳极对有机-无机杂化PSC的性能影响。通过FE-SEM、TEM、电化学工作站、太阳光模拟器等测试表征方法分析了空心盒状和花椰菜状TiO2光阳极的形貌和光电性能。研究结果表明,空心盒状TiO2光阳极有较好的PCE为4.15%,原因是空心盒状的二氧化钛的尺寸较小,比表面积大,增加了钙钛矿的吸附量。