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通过D-π-A小分子的界面修饰提高钙钛矿太阳能电池的性能研究

赵东宁  
【摘要】:不断增长的全球能源消耗再加上严重的环境问题,正在敦促人类去寻求与开发能够推动整个社会可持续发展的清洁可再生能源。太阳能是一种洁净环保、绿色清洁并且可以源源不断的获得的可再生的自然能源。众所周知人们对太阳能的开发和利用最为可行和最具有发展潜力的手段与方法就是直接将这种清洁的自然能源转化为电能。作为最新一代的光伏器件,钙钛矿太阳能电池不但制造成本低廉、工艺过程简单而且还具有环境友好的优势。根据美国可再生能源实验室的最新报道,目前有机无机杂化的光伏电池已经成为了当下最热门的领域之一。这种由有机物和无机物共同组成的光伏器件当前主要以钙钛矿材料为核心的光伏器件为主。因为其能量转化效率在短短的几年间已经突破了22%,据报道与单晶硅太阳能电池的性能已然相差不大。目前国内外大多数的课题组都是通过研发新型的钙钛矿类物质、对钙钛矿晶体光吸收层进行改良、钙钛矿活性层晶体生长的微观形貌进行不断的调整,还有一部分关键的研究方向就是用一些有机物对电子传输层或HTM层进行修饰等来提高钙钛矿太阳能电池的能量转换效率。而本论文则主要是通过界面工程的方法对钙钛矿光伏器件中起着传导电子作用的介空Ti02层进行吸附来提高电池的器件的光电转化效率,我们围绕着上面的思路主要开展了下面两方面工作:(1)关于可再生的清洁能源、依靠太阳能制备出的不同种类的光伏电器件和新兴起来的钙钛矿光伏电池的发展概况。(2)从DSSCs光伏器件的思路出发进行探索。研究D-π-A小分子的分子特征与电池被修饰后的光电参数的相互关系。4-氨乙基苯甲酸分子设计合成,羧基作为锚定基团与Ti02介孔层连结构。通过光物理、光伏以及电化学方法对一系列D-π-A小分子进行了相关性能的测试与研究。研究结果表明,以钙钛矿材料为核心的光伏器件的光电性能随着氨基链的缩短而逐渐提升。(3)通过界面工程的方法将D-π-A小分子4-氨基水杨酸吸附到介空二氧化钛层上,提升了器件的能量转换效率。在水杨酸结构与二氧化钛纳米粒子之间的三齿锚定模式可以提高界面间电子注入效率,显著地提高了钙钛矿太阳能电池的性能。通过使用不同种类的D-π-A小分子进行筛选,基于4-氨基水杨酸修饰后的器件的光电转换效率是14.4%,而没有经过任何修饰的器件的效率为11.1%,有了将近30%的提升。通过对I-V数据以及IPCE数据的分析可得,填充因子(由58.3%提高至67.2%)和短路电流(由18.87 mA/cm2提高到20.81 mA/cm2)的提高是能量转换效率大幅增长的关键因素。通过扫描电镜(SEM)等表征手段对钙钛矿活性层薄膜表面形貌进行分析表明D-π-A小分子的修饰提高了电子由钙钛矿层向TiO2介孔层中的注入效率,从而有利于电池性能的提升。电化学阻抗谱(EES)的测试证明在钙钛矿层与介空二氧化钛层间插入4-氨基水杨酸单分子层能够有效地抑制电子-空穴对在金属氧化物电荷传输层与钙钛矿光吸收层之间界面处的再度复合,从而显著的提高了电荷由钙钛矿层经过D-π-A小分子的π桥注入到介空二氧化钛层的效率。


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