離子摻雜對鈣鈦礦材料帶隙的調(diào)控和電池光伏性能的影響.pdf

1、眾所周知，太陽能是一種取之不盡用之不竭的可再生清潔能源。太陽能電池則是利用太陽能以光生伏特效應(yīng)為原理，將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的裝置。目前太陽能電池的發(fā)展已經(jīng)進入了第三代，其中比較熱門的為鈣鈦礦太陽能電池。鈣鈦礦太陽能電池是以具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的有機-無機金屬鹵化物（簡稱：鈣鈦礦）材料作為核心光吸收、光電轉(zhuǎn)換、光生載流子輸運材料的太陽能電池。鈣鈦礦薄膜材料的禁帶寬度在1.48~2.3eV范圍內(nèi)可調(diào)，吸收系數(shù)超過104cm-1，使其只需在幾百納米厚

2、度的情況下就能實現(xiàn)對800nm以下太陽光的充分吸收。同時相比于其它種類太陽能電池，鈣鈦礦太陽能電池可采用全溶液法制備，大大降低了成本，因而鈣鈦礦太陽能電池具有很好的應(yīng)用前景。
　　鈣鈦礦結(jié)構(gòu)統(tǒng)一用分子式 ABX3表示。在眾多鈣鈦礦材料中，最常使用的為CH3NH3PbI3，其中CH3NH3+代表A，Pb2+代表B，鹵族元素I-代表X。但由于目前最常用的鈣鈦礦材料的不穩(wěn)定性，阻礙了鈣鈦礦電池的商業(yè)化進展。故本論文主要從鈣鈦礦材料結(jié)構(gòu)的

3、穩(wěn)定性上入手，研究了采用其他元素來取代或部分取代最常用鈣鈦礦材料中A和X位的離子來制備穩(wěn)定性較高的新型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的電池。A除了采用最常用材料結(jié)構(gòu)中的CH3NH3+以外，還可以為 HC(NH2)2+，Cs+等。本論文采用 HC(NH2)2+部分取代CH3NH3+來獲得晶格能更高、結(jié)構(gòu)更緊湊的鈣鈦礦薄膜材料。同時還制備了摻雜金屬陽離子來增加鈣鈦礦薄膜的覆蓋度。改變X位離子通過鹵族元素Cl或Br來部分取代X位的I，以期消除鈣鈦礦薄膜表面存在的

4、未參與配位的碘離子。在獲得高致密性、高覆蓋度和高穩(wěn)定性鈣鈦礦薄膜的基礎(chǔ)上，制備鈣鈦礦太陽能電池。同時本論文通過各種表征手段來研究改變鈣鈦礦結(jié)構(gòu)后制備的鈣鈦礦薄膜及相應(yīng)的鈣鈦礦電池的光伏性能，如X射線衍射(XRD)、紫外-可見光吸收(Abs)、掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線光電子能譜(XPS)、I-V、外量子效率(EQE)等特性測試。主要獲得了如下結(jié)果：
　　首先制備了合成鈣鈦礦薄膜的前體材料 CH3NH3X（X=Cl、Br、I）

5、(簡稱 MAX)和HC(NH2)2I(簡稱FAI)，并進行XRD測試。測量結(jié)果表明，制備的前體材料MAX粉末和FAI粉末為純相無雜質(zhì)。
　　其次通過組份工程，取代或部分取代A和X位的離子，制備了不同結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的鈣鈦礦薄膜。(1)改變X位離子：分別制備了純I，I中摻Cl，I、Cl中摻Br三種不同結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦薄膜；(2)改變A位離子：在摻Cl鈣鈦礦薄膜的基礎(chǔ)上摻金屬離子Al3+和用FA+部分取代MA+的鈣鈦礦薄膜。并且通過XRD、Abs

6、和SEM測試來表征制備出的不同結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦薄膜，測試結(jié)果表明，通過改變鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中A和X位的離子，能夠有效調(diào)控鈣鈦礦薄膜的結(jié)構(gòu)、組份和形貌，相應(yīng)的光伏性能，包括遲滯效應(yīng)、光電流、電池轉(zhuǎn)換效率都有明顯的提升。
　　最后，將制備的不同結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦薄膜制備成相應(yīng)的鈣鈦礦電池。并在最優(yōu)的鈣鈦礦薄膜即采用液相一步法制備的I中摻Cl鈣鈦礦薄膜的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整電池制備中的各種工藝參數(shù)，來優(yōu)化電池轉(zhuǎn)換效率，最終得到光電轉(zhuǎn)換效率為13.6％的鈣鈦