鈣鈦礦太陽(yáng)能電池關(guān)鍵組成材料的制備與性能研究.pdf

1、鈣鈦礦太陽(yáng)能電池由于材料可調(diào)變、轉(zhuǎn)化效率高、制備工藝簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)成為了太陽(yáng)能電池中最受矚目的新星，發(fā)展極為迅速，目前最高能量轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)突破20％，與碲化鎘和銅銦鎵硒(CIGS)等第二代太陽(yáng)能電池的水平相當(dāng)。在短短幾年的發(fā)展進(jìn)程中，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池從最初使用液態(tài)電解質(zhì)的敏化電池演變?yōu)楣虘B(tài)敏化電池，并逐漸發(fā)展出了三維異質(zhì)結(jié)電池、平面異質(zhì)結(jié)電池、有機(jī)反式結(jié)構(gòu)電池等多種電池結(jié)構(gòu)。在各種不同的電池結(jié)構(gòu)中，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池關(guān)鍵組成

2、材料（鈣鈦礦吸光材料、空穴/電子傳輸材料等）的選擇和優(yōu)化對(duì)提升電池能量轉(zhuǎn)化效率和穩(wěn)定性尤為重要，因此一直是鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的研究重點(diǎn)。本論文從不同的關(guān)鍵組成材料出發(fā)，分別構(gòu)建了多種結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，并通過(guò)優(yōu)化合成方法或制備工藝，使電池性能和應(yīng)用潛力得到了較大的提升。
　　(1)從開(kāi)發(fā)穩(wěn)定高效的新型空穴傳輸材料(HTMs)出發(fā)，首次采用p型聚合物PCBTDPP作為HTM，與CH3NH3PbBr3或CH3NH3PbI3敏化的多孔

3、TiO2成功構(gòu)建了固態(tài)敏化結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示基于PCBTDPP的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池可以取得高于P3HT等經(jīng)典聚合物型HTMs的電池性能，尤其是CH3NH3PbBr3/PCBTDPP電池可以取得最高1.24 V的開(kāi)路電壓，且CH3NH3PbI3/PCBTDPP電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了5.6％，并表現(xiàn)出了較好的穩(wěn)定性，暗態(tài)空氣氣氛下保存1100 h轉(zhuǎn)化效率無(wú)明顯下降。
　　(2)從開(kāi)發(fā)高性能一維結(jié)構(gòu)電子傳輸材料(ETMs)

4、出發(fā)，發(fā)展了一種不含強(qiáng)酸的溫和水熱制備法，成功在FTO基底上生長(zhǎng)了金紅石相的一維TiO2納米棒和納米錐的陣列，并且詳細(xì)考察了各合成參數(shù)對(duì)一維TiO2形貌的影響。通過(guò)改變反應(yīng)時(shí)間和各初始反應(yīng)物濃度，可以對(duì)TiO2納米棒/錐的長(zhǎng)度、直徑和密度進(jìn)行調(diào)控，使其適合于鈣鈦礦吸光材料的填充。在此基礎(chǔ)上，利用制備的一維TiO2陣列作為ETMs，成功構(gòu)建了高效的三維異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。由于納米錐具有的空隙結(jié)構(gòu)更開(kāi)放，而且電子注入和傳輸效率更高

5、，作為ETMs應(yīng)用于鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中取得了高于納米棒的轉(zhuǎn)化效率。
　　(3)從改進(jìn)均勻大面積鈣鈦礦平板薄膜的制備工藝出發(fā)，開(kāi)發(fā)了一種新的氣固相反應(yīng)方法:直接接觸-插層法(direct contact and intercalation process，DCIP)。通過(guò)DCIP法，可以簡(jiǎn)單有效地在大面積基底上成功制備出均勻致密的CH3NH3PbI3薄膜，以此構(gòu)建的小面積平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池最高轉(zhuǎn)化效率達(dá)到16.0％，并且在5

6、.0 cm×5.0 cm基底上制備的1.00 cm2的大面積的電池效率也達(dá)到了12.6％，顯示出了較高的規(guī)模化潛力。
　　(4)從提高一步法旋涂制備的鈣鈦礦薄膜質(zhì)量和電池性能出發(fā)，采用N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和1,4-丁內(nèi)酯(GBL)分別與二甲基亞砜(DMSO)混合作為旋涂溶劑，在TiO2致密層上旋涂制備了高質(zhì)量的鈣鈦礦平板薄膜，并且詳細(xì)考察了溶劑混合比例對(duì)鈣鈦礦薄膜的形貌和電池性能的影響，最佳條件下(40 vol.％ DM