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基于TiO_2纳米线阵列的新型太阳能电池研究

陈新鹏  
【摘要】:近年来,光伏发电作为一种直接将太阳能转换为电能的手段受到了学界和产业界的极大关注。传统的硅和化合物半导体太阳能电池因高昂的成本和复杂的制造工艺限制了其进一步的发展。而新型的光伏器件,如染料敏化太阳能电池(DSSC)、有机无机钙钛矿太阳能电池(PSC)等具有低成本、易加工、可弯曲以及兼容滚筒和印刷制备工艺等,目前已成为该领域的研究热点。N型宽禁带半导体TiO_2因其具有环境友好、能级匹配和表面修饰灵活等优点,已广泛的应用于多种新型光伏器件,如作为DSSC的骨架结构和PSC的电子传输层。TiO_2层的结构、组分、界面等因素的设计与调控对于增强光子捕获、减少界面复合,最终提高新型太阳能电池的性能至关重要,但目前在这方面还缺乏系统深入的研究。基于此本文主要开展以下研究内容:(1).通过低温水热法在透明导电衬底上制备了竖直排列的TiO_2纳米棒(线)阵列,系统研究了生长时间、添加剂和前驱体等对TiO_2纳米结构的形貌、结构、组分和光学等性质的影响。结果表明:合成的TiO_2纳米棒为金红石相单晶结构,可通过改变生长时间来调控TiO_2纳米棒的长度;利用乙醇作为添加剂改变生长溶液的组成,可以调控TiO_2纳米棒形貌变化,当乙醇添加剂含量超过10mL时,形成一层致密的金红石相TiO_2薄膜。基于长度为1.2μm的TiO_2纳米棒阵列组装的DSSC获得了1.88%的光电转换效率。(2).采用TiCl_4作为前驱体合成了长度为8.4μm金红石相TiO_2纳米线阵列,基于此组装的DSSC的光电转换效率为1.67%。对TiO_2纳米线进行酸性刻蚀3 h,增大了纳米线比表面积,DSSC器件效率显著提高至4.43%。在刻蚀后的TiO_2纳米线阵列薄膜上进一步沉积了TiO_2纳米颗粒,基于该种复合光阳极的DSSC获得了4.98%的光电转化效率。对TiO_2纳米线进行Nb掺杂研究,结果表明:Nb掺杂量未影响TiO_2纳米线的晶相结构,但纳米线形貌随着Nb掺杂量的变化呈现规律变化。使用刻蚀4 h的1 at%Nb掺杂纳米线组装成的DSSC获得了5.25%的光电转换效率。(3).优化了两步法制备(FAPbI_3)_(0.97)(MAPbBr_3)_(0.03)钙钛矿薄膜的工艺,基于SnO_2平面结构的钙钛矿太阳能电池在PbI_2退火1 min条件下获得了18.7%光电转换效率,明显高于PbI_2未退火的器件效率。在(0.1at%Nb掺杂)的TiO_2纳米棒阵列上制备介孔结构钙钛矿太阳能电池。结果表明:生长时间为1 h的Nb掺杂的钙钛矿光伏器件获得最高效率15.7%,而未掺杂的器件效率普遍低于Nb掺杂的器件效率,证明了Nb掺杂TiO_2纳米棒可以提高介孔结构钙钛矿太阳能电池的性能。(4).采用电沉积法在碱性条件下制备了赤铜矿相Cu_2O薄膜。电沉积时间的变化改变了Cu_2O薄膜晶粒尺寸,未对Cu_2O晶体结构产生影响;沉积基底的变化对Cu_2O晶粒形状产生影响。基于620 nm长的Nb掺杂TiO_2纳米棒阵列的Cu_2O-TiO_2异质结太阳能电池获得了0.445%的光电转换效率。


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