金屬氧化物傳輸層鈣鈦礦太陽能電池的制備及性能研究.pdf

1、鈣鈦礦太陽能電池以其較高的吸光系數(shù)，優(yōu)良的載流子傳輸性能，較高的開路電壓，制備工藝簡單，可制備柔性器件等優(yōu)點備受科研工作者的關(guān)注，近年來鈣鈦礦太陽能電池的效率不斷取得突破，到目前為止,鈣鈦礦太陽能電池的最高光電轉(zhuǎn)換效率已達到22.1％。雖然發(fā)展迅速，但是鈣鈦礦太陽能電池也存在著許多問題，其中最主要的問題就是這種電池的穩(wěn)定性極差，這是目前制約鈣鈦礦太陽能電池發(fā)展的關(guān)鍵問題，其中影響鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性的因素主要是鈣鈦礦吸收層和傳輸層材料

2、這兩種，有機-無機雜化鈣鈦礦吸收層在空氣中遇極性溶劑很快就會分解，而且傳統(tǒng)的有機傳輸層材料則本身就不穩(wěn)定，這些都會影響電池的性能。因此我們使用比較穩(wěn)定的無機半導(dǎo)體材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有機材料作為鈣鈦礦太陽能電池的傳輸層材料來增加電池的穩(wěn)定性。無機半導(dǎo)體如NiOx和ZnO雖然在空氣中很穩(wěn)定，但都是本征半導(dǎo)體，這類半導(dǎo)體的普遍特點就是載流子濃度較低，當(dāng)把它們作為傳輸層材料運用到鈣鈦礦太陽能電池中時并不能很好地提高電池的性能，而提高本征半導(dǎo)體載流子

3、濃度最簡單直接的方法就是對其進行元素摻雜。
　　本論文旨在用NiOx和ZnO分別代替Spiro-OMeTAD和PCBM這兩種傳統(tǒng)的有機傳輸層材料，并分別對其進行p型和n型摻雜來提高二者的載流子濃度，實現(xiàn)在提高其在載流子傳輸能力的同時增加鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性，從而實現(xiàn)金屬氧化物傳輸層鈣鈦礦太陽能電池的制備，具體工作分為以下三個部分：
　　(1) NiOx是一種直接帶隙半導(dǎo)體材料，禁帶寬度為4.0 eV，由于具有大量的Ni2

4、+空位而使其呈現(xiàn)優(yōu)良的p型半導(dǎo)體性質(zhì)，因此成為無機空穴傳輸材料的首選，但是本征NiOx薄膜載流子濃度較低，不利于制備高性能的鈣鈦礦太陽能電池，最為明顯的表現(xiàn)就是所制備的電池的短路電流較低。我們首次采用溶膠-凝膠法將Li元素和Cu元素同時摻雜到NiOx薄膜中，并作為空穴傳輸層運用到鈣鈦礦太陽能電池中。Cu的摻雜可以提高NiOx薄膜的載流子濃度和載流子遷移率，但同時也會降低薄膜的光透過性；而Li的摻雜則可以通過提高薄膜的結(jié)晶性來增加其透過率

5、，使太陽光能更好地從NiOx薄膜中透過被鈣鈦礦吸收層吸收，增加太陽光的利用率。我們將本征NiOx薄膜，Cu摻雜NiOx薄膜，Li，Cu 共摻雜NiOx薄膜分別作為空穴傳輸層材料來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有機傳輸層材料，發(fā)現(xiàn)以本征NiOx薄膜為空穴傳輸層的電池效率只有7.94%，而Li，Cu共摻雜NiOx薄膜為空穴傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池的效率高達14.53%，而電池性能提高的主要因素則是短路電流和填充因子的提高。至此本章節(jié)提出，通過Li，C

6、u共摻雜的NiOx薄膜作為空穴傳輸層能更好地傳輸載流子，從而提高鈣鈦礦太陽能電池的性能。
　　(2)本征ZnO是典型的n型半導(dǎo)體材料，禁帶寬度為3.37 eV，由于其比TiO2更穩(wěn)定，遷移率更高而被越來越多地用于鈣鈦礦太陽能電池的電子傳輸層材料。但是本征ZnO的載流子濃度較低，目前n型摻雜是提高ZnO半導(dǎo)體載流子濃度的主要手段，在ZnO中引入Al，In，Ga等元素，制備n型的ZnO納米晶，可以顯著提高其載流子濃度。我們選用In作為

7、摻雜元素來對ZnO進行n型摻雜。我們采用一鍋法成功合成不同摻雜濃度的摻In-ZnO納米晶，通過對其進行元素分析和形貌表征，發(fā)現(xiàn)我們所合成的納米晶中In的實際摻雜量與理論值相差不大，說明In的摻入效率相對較高。從透射電鏡下可以看出我們所制備的納米晶顆粒尺寸十分均勻，隨后我們將不同摻雜濃度的摻In-ZnO納米晶作為電子傳輸層運用到正型鈣鈦礦太陽能電池中。當(dāng)摻In的含量為3%時，電池的效率達到最高為13.45%，而以本征ZnO為電子傳輸層的電

8、池效率則只有9.31%，說明In的摻雜能夠提高電子傳輸層的載流子傳輸能力，從而提高其電池性能。
　　(3)第三部分工作是在以上兩個工作的基礎(chǔ)上進行的，將優(yōu)化過的Li, Cu-NiOx和摻In-ZnO分別代替Spiro-OMeTAD和PCBM作為空穴傳輸層材料和電子傳輸層材料同時運用到鈣鈦礦太陽能電池中，制備金屬氧化物傳輸層鈣鈦礦太陽能電池，達到在提高電池的效率的同時降低電池的制作成本，同時無機金屬氧化物的引入也會進一步提高電池的穩(wěn)