介孔鈣鈦礦太陽電池及新型氧化物太陽電池的研究.pdf

1、能源危機(jī)和環(huán)境污染是人類面臨的兩大難題。太陽能因其綠色、分布相對(duì)廣泛等特點(diǎn)被認(rèn)為是最有前景的新能源之一。而將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的太陽電池一直被認(rèn)為是提供清潔可再生能源最有效的方式之一。
　　有機(jī)無機(jī)鹵素鉛鈣鈦礦(CH3NH3PbX3，X=Cl，Br,I)材料具有高的光吸收系數(shù)、較長的電荷擴(kuò)散長度、合適的禁帶寬度和可采用溶液法加工等優(yōu)點(diǎn)被應(yīng)用到薄膜太陽電池中。鈣鈦礦材料組成的元素在地球上含量豐富且其容易采用簡單的低溫溶液法制備。最近，

2、鈣鈦礦太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率在短短的幾年內(nèi)，已從開始的3.8％飆升到20％。
　　本文從不同CH3NH3PbI3鈣鈦礦形貌對(duì)鈣鈦礦太陽電池光伏性能的影響研究角度出發(fā)，采用傳統(tǒng)的一步和兩步法，制備出不同形貌的CH3NH3PbI3鈣鈦礦層。通過電化學(xué)阻抗譜分析了不同形貌的鈣鈦礦對(duì)太陽電池內(nèi)部電荷復(fù)合動(dòng)力學(xué)過程的影響。結(jié)果表明，兩步法制備的四方晶形CH3NH3PbI3完全覆蓋在介孔TiO2薄膜表面，阻礙了空穴傳輸材料與TiO2的接觸，在

3、一定程度上抑制電荷復(fù)合。導(dǎo)致兩步法制備的鈣鈦礦太陽電池的開路電壓要比一步法的高。
　　介孔TiO2作為電子傳輸材料和骨架層對(duì)鈣鈦礦太陽電池的性能有著重要的影響。因此，開發(fā)和制備可替代TiO2的高效電子傳輸材料是獲得高效鈣鈦礦太陽電池的有效途徑之一。本論文采用介孔SnO2薄膜作為電子傳輸材料、CH3NH3PbI3作為光吸收材料和spiro-OMeTAD作為空穴傳輸材料，制備了結(jié)構(gòu)為FTO/SnO2/CH3NH3PbI3/spiro-

4、OMeTA/Au的固態(tài)鈣鈦礦電池。通過優(yōu)化介孔SnO2薄膜的膜厚和以及利用TiCl4對(duì)其表面處理，獲得17.38 mA/cm2的短路電流密度和接近1V的開路電壓，且電池的光電轉(zhuǎn)換效率超過10％。電化學(xué)阻抗譜結(jié)果表明:經(jīng)TiCl4水溶液處理介孔SnO2薄膜表面將其鈍化后，可有效抑制空穴傳輸材料、鈣鈦礦與SnO2薄膜之間的復(fù)合，從而有效提高了電池的開路電壓。
　　在此基礎(chǔ)上，本論文采用熱注入法合成了膠體PbS量子點(diǎn)，并將其作為介孔結(jié)構(gòu)

5、的鈣鈦礦太陽電池的空穴傳輸材料來替代傳統(tǒng)的高成本有機(jī)小分子spiro-OMeTAD，制備成鈣鈦礦/量子點(diǎn)雜化太陽電池。同時(shí)，研究了CH3NH3PbI3帽子層不同形貌對(duì)TiO2與PbS空穴傳輸材料界面間復(fù)合動(dòng)力學(xué)過程，以及對(duì)鈣鈦礦太陽電池光伏性能的影響。本工作指出了抑制鈣鈦礦/量子點(diǎn)雜化太陽電池中復(fù)合過程的重要性。
　　鈣鈦礦材料對(duì)水分敏感，從而導(dǎo)致鈣鈦礦材料在濕度較大的環(huán)境中很快降解。因此，本論文從一個(gè)全新的角度出發(fā)，采用連續(xù)離子

6、吸附沉積法(SILAR)分別在納米晶TiO2和SnO2多孔薄膜上沉積了具有穩(wěn)定化學(xué)性質(zhì)、無毒、原材料材料豐富的金屬氧化物半導(dǎo)體釩酸鉍(BiVO4)層，作為吸光材料，制備了BiVO4氧化物薄膜太陽電池。采用紫外可見吸收光譜、XRD和TEM等表征手段深入研究了BiVO4/TiO2異質(zhì)結(jié)的光學(xué)性質(zhì)和晶體結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明BiVO4可以作為一種有效的敏化劑應(yīng)用到介孔薄膜太陽電池中。該研究結(jié)果不但提供了一種簡單制備氧化物BiVO4量子點(diǎn)的方法，并且為