p型及pn疊層介觀太陽能電池中染料、空穴傳輸材料及界面研究.pdf

1、介觀太陽能電池（Mesoscopic solar cells，MSCs）是指使用具有高比表面積的介孔半導體納米晶作為電荷收集材料，染料或有機-無機雜化鈣鈦礦等作為光捕獲材料，利用介觀光活性界面實現(xiàn)高效光電轉(zhuǎn)換功能的一種光伏器件，介孔納米晶/光捕獲材料界面對 MSCs的光電性能起決定性作用。這類電池制備工藝簡單、原材料來源廣且價格低廉，一直被視為第三代太陽能電池中最具應用前景的光電轉(zhuǎn)換技術(shù)之一。MSCs最早由染料敏化太陽能電池（Dye-s

2、ensitized solar cells，DSSCs）發(fā)展而來，最近興起的鈣鈦礦太陽能電池（Perovskite solar cells，PVSCs）由DSSCs發(fā)展而來，有機-無機雜化鈣鈦礦材料獨特的光電性能使得PVSCs發(fā)展迅速。目前DSSCs最高光電轉(zhuǎn)換效率已達到13.0％，而PVSCs的公證效率高達21.0%。
　　傳統(tǒng)MSCs一般基于介孔n型半導體納米晶/光捕獲材料敏化電極作為工作電極，即n型MSCs。而以p型半導體納

3、米晶/光捕獲材料敏化電極為工作電極的p型MSCs，有望通過光譜匹配和n型MSCs組合構(gòu)成pn疊層MSCs。pn疊層MSCs因能夠突破傳統(tǒng)n型MSCs的理論效率限制而極具發(fā)展前景。由于目前pn疊層MSCs的發(fā)展受制于p型MSCs的發(fā)展，因而發(fā)展高效pn疊層MSCs首先需要發(fā)展p型MSCs。
　　p型MSCs中 p型半導體納米晶/光捕獲材料界面對p型MSCs光電性能起決定性作用。針對這界面，本論文設計合成了一系列應用于p型DSSCs的

4、有機染料，合成了應用于pn疊層PVSCs的p型半導體納米材料，開發(fā)了基于碳對電極的新型pn疊層PVSCs，系統(tǒng)研究了p型半導體/光捕獲材料界面特性及其對器件光伏性能的影響，為高效、低成本MSCs的發(fā)展提供依據(jù)。本文主要開展了以下研究工作：
　　以帶錨基的二苯胺作為電子給體，苝酰胺作為電子受體，9,9-二己基芴作為鏈接基團，順序引入3,4-乙烯二氧噻吩和噻吩延長分子共軛體系，調(diào)節(jié)染料能級，合成了三種p型有機染料zzx-op1、zzx

5、-op2和zzx-op3，制備了p型DSSCs。研究結(jié)果表明隨著共軛體系的延長，染料吸收光譜逐漸紅移，而器件光電轉(zhuǎn)換效率依次下降，分別為0.184、0.160、0.153%。針對這一現(xiàn)象，利用光學及電化學手段研究了p型半導體/染料界面空穴注入驅(qū)動力對器件性能的影響，確定了合適的空穴注入驅(qū)動力。其中，具有～0.8 eV空穴注入驅(qū)動力的zzx-op1空穴注入效率最高，光電轉(zhuǎn)效率最高；
　　在zzx-op1的基礎(chǔ)上，依次分別引入了一個、

6、兩個9,9-二己基芴作為鏈接基團，設計合成了兩種p型有機染料：zzx-op1-2和zzx-op1-3，制備了p型DSSCs。改變?nèi)驹∨浔龋芯苛巳玖辖Y(jié)構(gòu)及自組裝特性對p型半導體/染料界面電荷復合特性及器件性能的影響。光物理及電化學測試結(jié)果表明zzx-op1-2不僅能夠形成致密的染料分子層抑制電解質(zhì)與半導體納米晶中空穴之間的電荷復合，而且能夠抑制還原態(tài)染料與半導體納米晶中空穴之間的電荷復合?；趜zx-op1-2的p型DSSCs獲得了0.

7、35%的光電轉(zhuǎn)換效率，實現(xiàn)了同時期7.57 mA/cm2的短路電流密度的世界紀錄；
　　受 pn疊層 DSSCs的啟發(fā)，在具有二氧化鈦/二氧化鋯/碳(鈣鈦礦)（TiO2/ZrO2/carbon(perovskite)）結(jié)構(gòu)的無空穴傳輸材料型PVSCs基礎(chǔ)上，將介孔ZrO2替換為介孔氧化鎳（NiO）制備具有p/n結(jié)構(gòu)的PVSCs。光物理及電化學測試結(jié)果表明，相對于絕緣材料ZrO2，p型半導體NiO作為空穴傳輸材料能夠有效收集空穴、阻

8、擋電子、抑制電荷復合，同時提升對電極界面的電荷收集特性。具有TiO2/NiO/carbon(perovskite)結(jié)構(gòu)的p/n型PVSCs實現(xiàn)了11.4%的光電轉(zhuǎn)換效率；
　　在TiO2/NiO/carbon(perovskite)結(jié)構(gòu)PVSCs基礎(chǔ)上，在介孔TiO2層與介孔NiO層之間增加一層介孔ZrO2，制備了具有p/i/n結(jié)構(gòu)的PVSCs。電化學測試結(jié)果表明介孔ZrO2層的引入避免了介孔TiO2層與介孔NiO層直接接觸造成的

9、界面復合，有效提升了器件的電荷收集特性。具有TiO2/ZrO2/NiO/carbon(perovskite)結(jié)構(gòu)的p/i/n型PVSCs實現(xiàn)了14.5%的光電轉(zhuǎn)換效率；
　　以高結(jié)晶度的介觀 NiO納米片作為空穴傳輸材料制備 TiO2/ZrO2/NiO/carbon(perovskite)結(jié)構(gòu)PVSCs。光物理及電化學測試結(jié)果表明，高結(jié)晶度NiO納米片具有良好的電荷收集特性，而且NiO納米片層具有更大的孔隙，有利于鈣鈦礦材料的填充