收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

基于钙钛矿半导体材料的光电转换器件制备与性能研究

孙浩轩  
【摘要】:有机-无机杂化铅卤钙钛矿半导体因具备高光吸收系数、高载流子迁移率、低激子结合能等优异的光电性质,以及可低成本溶液法制备的特点而备受关注。自2009年钙钛矿材料首次应用在光电领域以来,钙钛矿基光电器件已飞速发展了十年。然而钙钛矿光电器件依然面临效率低下、稳定性差和成本高等问题,严重制约了其商业化发展。限制性能的主要因素有:(1)钙钛矿光吸收层覆盖度低、成膜不均、晶粒尺寸小;(2)载流子传输材料与光吸收材料之间的能带不匹配;(3)传统金属氧化物电子传输材料导电性差、缺陷多。制约成本的主要因素为:(1)器件结构复杂;(2)传统氧化物电子传输材料沉积过程能耗高;(3)传统有机空穴传输材料价格昂贵。本文以光电二极管为主要研究对象,开展钙钛矿膜层的高质量可控制备研究,优化器件结构,实现高性能、低成本功能化集成系统。具体内容如下:(1)研究不同类型衬底生长高质量钙钛矿膜层方法,结合吸收谱、X射线衍射谱、电子显微镜等材料表征手段,研究不同工艺流程下的钙钛矿膜层质量。通过溶剂工程控制钙钛矿的晶体生长,依托反溶剂、温度控制的析晶过程和奥斯瓦尔德熟化机制,减少了成核中心数目,提高了结晶速度,促进了钙钛矿的粗化过程。实现了在平面刚性衬底、平面柔性衬底,以及线形柔性衬底上的高质量钙钛矿沉积。所有膜层均平整、致密、无针孔、晶粒尺寸可达微米量级,为后续的器件制备奠定了材料基础。(2)开展了钙钛矿基光电转换器件的结构优化研究。锑掺杂氧化锡(ATO)一维阵列的导电介孔结构,有效降低了器件的载流子传输电阻,并增强了器件对长波光子的吸收,使得电池器件的光电转化效率超过20%。设计并制备了在铜(Cu)线上原位生长的Cu-氧化亚铜(Cu_2O)-氧化铜(CuO)复合结构,实现了电极-电子阻挡层-空穴传输层/辅助光吸收层的一步合成。在不增加工艺复杂度的条件下大幅降低了探测器件的暗电流,并将有效探测范围拓宽了200 nm。所构筑的钙钛矿基双绞线柔性探测器的比探测率可达10~(13) Jones。(3)简化了钙钛矿基光电转换器件的结构。利用氟掺杂氧化锡(FTO)衬底自身为锡源,通过氧等离子处理技术,将衬底表面转化为具备空穴阻挡能力的纯相氧化锡。在维持20%器件转换效率的前提下,实现了全低温、无废料排放的电子传输层制备。解明载流子传输层的核心角色为内建电场提供者与选择性载流子阻挡者。据此机制,进一步构建了具备载流子定向分离能力的梯度Pb/Sn同质结型光吸收层,使得钙钛矿光吸收材料对载流子传输层的依赖性降低。在无需电子、空穴传输层的前提下,首次取得了10%以上的光电转化效率的电池器件。通过精简器件结构,大幅降低器件的制备成本,进一步提升了钙钛矿基光电转换器件的竞争优势。(4)构筑了功能化钙钛矿光电转换集成系统。通过Br、Cs共掺杂改性钙钛矿材料,提高成膜质量,开发与之相匹配的Nb:TiO_2电子传输层。经过系统的成分、能带工程优化,获得了人工光源环境下效率高达36%的光电池器件。人工光源和太阳光源的光谱差异决定了带隙较宽的钙钛矿材料较传统硅有巨大优势。与能量管理芯片、钠离子储能系统集成,实现了计算器、钟表、环境监测等实际应用的全自供能。钙钛矿材料的光吸收带边可随组分的改变从紫外渐变至近红外,利用这一硅半导体所无法实现的特性,可获得结构简单、性能优异光谱分辨设备。通过将氯基钙钛矿薄膜置于甲胺碘的气氛中进行梯度退火处理,获得了光吸收带边水平连续渐变的钙钛矿膜层,实现了拥有纳秒级响应时间的超高速颜色灵敏光探测器和分辨率约为80 nm的光谱分析仪。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前17条
1 李成辉;;钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性[J];当代化工研究;2020年12期
2 ;新材料可提高太阳能电池光电转换率[J];工程塑料应用;2009年03期
3 ;美科学家首次证明热光伏设备或使光电转换率突破极限[J];技术与市场;2017年03期
4 刘广荣;;美国太阳能电池创光电转换率新记录[J];半导体信息;2007年01期
5 田辉;熊启;刘鹏;张京;韩磊;张宇豪;郑永进;吴立爽;诸跃进;;钛掺杂钙钛矿制备高效率钙钛矿太阳能电池(英文)[J];无机化学学报;2018年09期
6 谢金秀;;高关注度技术领域的市场趋势与专利技术类别分布[J];世界科技研究与发展;2020年02期
7 王言博;崔丹钰;张才益;韩礼元;杨旭东;;钙钛矿太阳能电池研究进展:空间电势与光电转换机制[J];物理学报;2019年15期
8 王琼;陈红军;刘岗;王连洲;;新型固态太阳能电池中对有机-无机钙钛矿材料的调控(英文)[J];Science Bulletin;2015年04期
9 ;当期客座主编介绍[J];中国光学;2019年05期
10 李志成;王亚凌;杨银;曹焕奇;秦文静;杨利营;纪伟伟;印寿根;;利用吡啶添加剂提高钙钛矿太阳能电池的光伏性能(英)[J];发光学报;2017年11期
11 ;提高太阳能电池光电转换率[J];技术与市场;2009年06期
12 刘京;李楠;董庆顺;李江伟;秦超;王立铎;;调控低温氧化锡电学性质制备高效率钙钛矿太阳能电池(英文)[J];Science China Materials;2019年02期
13 ;高性能二维钙钛矿单晶纳米线阵列光电探测器研究取得进展[J];硅酸盐通报;2018年08期
14 ;光电转换的太阳能电池技术[J];硅谷;2012年02期
15 张环宇;;太阳能电池用无铅或少铅三维钙钛矿光吸收材料的研究进展[J];金属世界;2019年03期
16 ;深圳先进院柔性钙钛矿太阳能电池研发取得进展[J];硅酸盐通报;2019年04期
17 ;30天效率衰减低于20% 太阳能电池器件稳定性获新突破[J];云南电力技术;2018年01期
中国重要会议论文全文数据库 前20条
1 张宪玺;周华伟;曾涑源;尹杰;孙元伟;乜忠浩;曾庆华;;系列光电转换、存储功能材料与器件的研究[A];中国化学会第八届全国配位化学会议论文集—口头报告[C];2017年
2 王豪毅;于曼;韩君;王弋;秦玉军;艾希成;;钙钛矿太阳能电池形貌控制及光电转换过程研究[A];第二届新型太阳能电池学术研讨会论文集[C];2015年
3 詹义强;;钙钛矿材料的光电转换物理过程研究[A];第四届新型太阳能电池学术研讨会论文集[C];2017年
4 李一明;石将建;余炳成;吴炯桦;李冬梅;罗艳红;吴会觉;孟庆波;;钙钛矿太阳能电池中的瞬态光电研究[A];第六届新型太阳能电池材料科学与技术学术研讨会论文集[C];2019年
5 王鸣魁;赵晓娟;李浩;;界面工程提升钙钛矿太阳能电池性能[A];第五届新型太阳能电池学术研讨会摘要集(钙钛矿太阳能电池篇)[C];2018年
6 何瑞钦;尹君;李静;郑南峰;吴炳辉;;刮涂工艺在钙钛矿太阳能电池器件中的应用研究[A];第六届新型太阳能电池材料科学与技术学术研讨会论文集[C];2019年
7 毛成根;连加荣;;基于铜阴极的钙钛矿太阳能电池器件的研究[A];2018第二届全国太阳能材料与太阳能电池学术研讨会摘要集[C];2018年
8 周欢萍;;通过化学手段调制杂化钙钛矿内部缺陷实现高效高稳太阳能电池器件[A];第六届新型太阳能电池材料科学与技术学术研讨会论文集[C];2019年
9 司浩楠;李明华;朱文丽;郭艳;闫小琴;廖庆亮;张跃;;卤素掺杂对钙钛矿薄膜性能的影响[A];第三届新型太阳能电池学术研讨会论文集[C];2016年
10 冯莱;刘萍;王琛;周东营;;面向高效稳定钙钛矿太阳能电池的新型界面层材料的开发[A];第五届新型太阳能电池学术研讨会摘要集(钙钛矿太阳能电池篇)[C];2018年
11 周惠琼;;有机和钙钛矿太阳能电池的界面研究周惠琼国家纳米科学中心,北京,100190[A];第六届新型太阳能电池材料科学与技术学术研讨会论文集[C];2019年
12 杨迎国;冯尚蕾;苏圳煌;惠炜;董亚男;王珍;高兴宇;;基于上海同步辐射光源的钙钛矿太阳能电池研究及原位装置研制[A];第六届新型太阳能电池材料科学与技术学术研讨会论文集[C];2019年
13 赵晋津;黄博远;张颖;刘金喜;李江宇;;钙钛矿太阳能电池铁性畴对光伏性能影响研究[A];2018年全国固体力学学术会议摘要集(上)[C];2018年
14 付青霞;唐湘兰;黄斌;;钙钛矿太阳能电池长期稳定性的进展[A];第六届新型太阳能电池材料科学与技术学术研讨会论文集[C];2019年
15 王娇宇;张哲泠;陈云;康景荣;张坚;;低温下制备稳定钙钛矿太阳能电池[A];第五届新型太阳能电池学术研讨会摘要集(钙钛矿太阳能电池篇)[C];2018年
16 朱瑞;;高效率反式钙钛矿太阳能电池的研究[A];第五届新型太阳能电池学术研讨会摘要集(钙钛矿太阳能电池篇)[C];2018年
17 李杨;徐征;赵谡玲;宋丹丹;乔泊;赵蛟;朱友勤;秦梓伦;孟娟;;基于疏水表面生长的高质量钙钛矿薄膜[A];第四届新型太阳能电池学术研讨会论文集[C];2017年
18 赵晋津;黄博远;张颖;刘金喜;李江宇;;钙钛矿太阳能电池力电光多场耦合性能研究[A];2018年全国固体力学学术会议摘要集(下)[C];2018年
19 杨松旺;邵君;李海艳;陈宗琦;;高稳定性钙钛矿太阳能电池与模块研究[A];第六届新型太阳能电池材料科学与技术学术研讨会论文集[C];2019年
20 崔彬彬;杨宁;张德良;韩颖;陈棋;;钙钛矿太阳能电池中缺陷的减少与有机小分子空穴传输材料的设计[A];2018第二届全国太阳能材料与太阳能电池学术研讨会摘要集[C];2018年
中国博士学位论文全文数据库 前20条
1 孙浩轩;基于钙钛矿半导体材料的光电转换器件制备与性能研究[D];电子科技大学;2020年
2 孙祥浪;用于高效钙钛矿太阳能电池的有机非掺杂空穴传输材料的设计与合成[D];华中科技大学;2019年
3 戚佳斌;钙钛矿太阳能电池的界面调控与可穿戴应用研究[D];东华大学;2020年
4 刘冠辰;钙钛矿太阳能电池电荷传输层的材料设计及器件性能研究[D];长春理工大学;2020年
5 周军帅;低成本、高性能钙钛矿太阳能电池关键材料制备及器件集成工艺[D];北京化工大学;2020年
6 郑小璐;高效稳定钙钛矿太阳能电池中空穴传输层材料与界面的研究[D];武汉大学;2019年
7 刘德备;形貌与界面调控制备高效率钙钛矿太阳能电池[D];西南大学;2020年
8 林俍佑;钙钛矿太阳能电池中钙钛矿层优化及电荷传输材料的研究[D];华中科技大学;2019年
9 吴颖辉;基于显微成像技术研究杂化太阳能薄膜微观光伏机制及其器件优化[D];重庆大学;2019年
10 韩飞;高效和低迟滞钙钛矿太阳能电池的界面调控及性能研究[D];电子科技大学;2020年
11 孙雪;钙钛矿太阳能电池的电极修饰、优化及其性能研究[D];中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所);2020年
12 陈昊;高效反式结构钙钛矿太阳能电池[D];中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所);2020年
13 黄增麒;柔性钙钛矿薄膜结晶调控及其太阳能电池性能研究[D];南昌大学;2020年
14 李剑焘;有机/无机纳米复合及杂化钙钛矿材料的光电性能研究[D];北京交通大学;2016年
15 张晓楠;钙钛矿太阳能电池活性层结晶性与界面研究[D];中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所);2018年
16 菅薇;高活性氧化铁本征性质及其在钙钛矿太阳能电池中应用的研究[D];吉林大学;2020年
17 毕文博;基于光转换的高效稳定钙钛矿太阳能电池的研究[D];吉林大学;2020年
18 党琪;基于配位晶体的海洋水下光电转换研究[D];华东师范大学;2020年
19 郑官豪杰;钙钛矿太阳能电池微观结构调控和性能研究[D];中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所);2017年
20 何欣;高性能钙钛矿太阳能电池的制备及界面优化的研究[D];华侨大学;2019年
中国硕士学位论文全文数据库 前20条
1 蒙蕤谦;氧化铈在钙钛矿太阳能电池器件中的应用研究[D];兰州大学;2020年
2 沈百慧;钙钛矿太阳能电池中载流子传输的研究[D];宁波大学;2019年
3 邹顶;钙钛矿太阳能电池中载流子传输材料的制备及性能研究[D];福建师范大学;2019年
4 吴芬;聚合物太阳能电池与钙钛矿太阳能电池器件的制备与优化[D];湘潭大学;2016年
5 张颖;钙钛矿薄膜的制备表征与太阳能电池光电转换性能的研究[D];石家庄铁道大学;2020年
6 邵月琴;钙钛矿光电材料和器件的制备与表征[D];南京理工大学;2015年
7 侯福华;钙钛矿太阳能电池空穴传输层的优化研究[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2015年
8 周康;基于碳电极钙钛矿太阳能电池的研究[D];宁波大学;2019年
9 宋宗龙;高效稳定的钙钛矿太阳能电池的研究[D];吉林大学;2020年
10 袁大星;高性能有机—无机杂化钙钛矿太阳能电池的研究[D];苏州大学;2016年
11 王登;高效反式钙钛矿太阳能电池的器件优化及其大面积制备[D];哈尔滨工业大学;2020年
12 何江;封装及A位离子对钙钛矿太阳能电池稳定性的影响研究[D];武汉理工大学;2019年
13 孟文兵;反式钙钛矿太阳能电池中界面修饰对其光伏性能的影响[D];内蒙古师范大学;2020年
14 王俊;柔性异质结型钙钛矿太阳能电池制备及性能研究[D];电子科技大学;2017年
15 张育龙;真空蒸镀法制备高稳定性的钙钛矿太阳能电池[D];武汉理工大学;2019年
16 漆晶晶;空气中制备大面积有机无机杂化钙钛矿薄膜及太阳能电池研究[D];电子科技大学;2020年
17 蔡畅;碳基钙钛矿太阳能电池光电性能的研究[D];宁波大学;2019年
18 曾峰;稠环共平面分子材料在钙钛矿太阳能电池中的应用研究[D];哈尔滨工业大学;2020年
19 杨凯鑫;甲胺-甲脒-铯三元阳离子钙钛矿太阳能电池的耐辐照性能研究[D];湘潭大学;2019年
20 朱雅芸;钙钛矿太阳能电池中电子传输层的研究[D];苏州大学;2019年
中国重要报纸全文数据库 前20条
1 葛进;日研制出非硅系高光电转换率太阳能电池[N];科技日报;2008年
2 记者 刘霞;热光伏设备或使光电转换率突破极限[N];科技日报;2016年
3 本报记者 张梦然;将光电转换率提高一倍,可行吗?[N];科技日报;2014年
4 记者 马丹;新方法改进钙钛矿太阳能电池成本低效率高[N];科技日报;2016年
5 记者 刘霞;美研制出环保型钙钛矿太阳能电池[N];科技日报;2014年
6 通讯员 段同刚 记者 蔡计锁;晶龙“赛秀”实现量产光电转换率达18.5%[N];河北日报;2010年
7 记者 黄辛;科学家首次在一根纤维上同时实现光电转换和储能[N];中国科学报;2012年
8 记者 马爱平;拨开钙钛矿太阳能电池商业化“乌云”[N];科技日报;2016年
9 记者 陈超;科学家发现钙钛矿太阳能电池理论界限[N];科技日报;2015年
10 林小春;中日瑞科学家制成高效率钙钛矿太阳能电池[N];中国建设报;2015年
11 通讯员 段同刚 田思 记者 蔡计锁;晶龙多晶硅太阳能电池光电转换率达到18.2%[N];河北日报;2011年
12 首席记者 徐瑞哲;光电转换,打造“乡村版”路灯工程[N];解放日报;2014年
13 本报记者 沈春蕾;高效稳定的二维层状钙钛矿来了![N];中国科学报;2020年
14 记者 顾亦来 通讯员 姚宏伟;朱家宽:三项光电转换率纪录创造者选择来嘉勇敢逐梦[N];嘉兴日报;2020年
15 本报实习记者 董梓童;钙钛矿太阳能电池商业化进程加速[N];中国能源报;2020年
16 本报记者 杨频萍;揭秘“塑料”材料光电转换过程[N];新华日报;2020年
17 记者 刘霞;新电池模型光电转换率高达44.5%[N];科技日报;2017年
18 特约记者 牛献力 通讯员 田思;晶龙多晶硅光电转换率行业领先[N];中国化工报;2012年
19 通讯员 段同刚 田思 记者 蔡计锁;晶龙“晶枫”技术多晶硅光电转换率达到18.5%[N];河北日报;2011年
20 本报记者 吴艳荣 蔡计锁 庞超;1.5个百分点意味着什么[N];河北日报;2014年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978