NiO薄膜的制備及其光伏和電致變色性能研究.pdf

1、近年來，有著低成本、小能耗、結(jié)構(gòu)簡單、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)的有機(jī)/無機(jī)雜化鈣鈦礦太陽能電池，成為了新興的第三代太陽能光伏技術(shù)的研究熱點(diǎn)，然而常用的有機(jī)空穴傳輸材料 Spiro-OMeTAD價(jià)格高昂且穩(wěn)定性較差，限制了其未來產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。NiO是一種具有典型的3d電子能帶結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的光學(xué)特性和電學(xué)特性的p型寬禁帶半導(dǎo)體材料，在染料敏化太陽能電池和電致變色器件領(lǐng)域分別得到廣泛應(yīng)用，將太陽能電池和電致變色材料巧妙結(jié)合組成自供電的光電致變色器件系統(tǒng)，在

2、智能窗、信息顯示和軍事偽裝等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，而NiO在其中承擔(dān)著重要的橋梁作用。本文采用磁控濺射法和溶膠-凝膠(Sol-gel)法制備了NiO薄膜，對不同工藝參數(shù)和制備條件下的NiO薄膜的結(jié)構(gòu)、微觀形貌、光學(xué)和電化學(xué)性質(zhì)性能表征并優(yōu)化后，研究了其電致變色性能，并將其作為空穴傳輸層材料應(yīng)用于p-NiO/CH3NH3PbI3/n-PCBM型鈣鈦礦太陽能電池。
　　1.采用Sol-gel旋涂法，在ITO基片上制備非晶態(tài)NiO薄膜

3、?？疾鞜崽幚頊囟取蚰z速率、旋涂層數(shù)和溶膠中PVP濃度對NiO薄膜的電致變色性能影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)PVP摻雜含量偏低，會使NiO溶膠的粘度降低，在旋涂過程中，由于溶膠與ITO基片的粘合力有限易被甩開，旋涂后的膜很??；適量的PVP摻雜、勻膠速率、旋涂層數(shù)和熱處理溫度可改善 NiO薄膜在熱處理過程中因熱膨脹引起的內(nèi)應(yīng)力，使有機(jī)物及時(shí)分解，從而避免薄膜因內(nèi)應(yīng)力而導(dǎo)致的孔隙、裂紋等缺陷，有助于改善薄膜形貌。得到實(shí)驗(yàn)室下Sol-gel旋涂法制備N

4、iO薄膜的較佳工藝條件，即PVP含量為1.0at％時(shí)，旋涂轉(zhuǎn)速為3000rpm，干燥溫度為80?C，以3?C/min的速率升溫至300?C熱處理2h，得到的NiO薄膜平整而致密，在可見光區(qū)域透光性良好，其光譜調(diào)制范圍達(dá)到71.1%。
　　2.采用直流磁控濺射法，在ITO基片上濺射沉積晶態(tài)NiO薄膜。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過熱處理后，有利于NiO晶體生長，改善薄膜表面的缺陷，提高NiO薄膜的透光率，導(dǎo)致其透光率一度超過100%。熱處理溫度在3

5、00?C時(shí)，晶體沿晶面(200)生長趨向最好，當(dāng)熱處理溫度超過500?C后，ITO薄膜則出現(xiàn)裂紋。另外，本文直流磁控濺射法沉積 NiO薄膜厚度過高且致密，導(dǎo)致電化學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)薄膜表面態(tài)的活性點(diǎn)未能完全激活，其在200?C時(shí)光譜調(diào)制范圍最高僅為32.4%。
　　3.在鈣鈦礦太陽能電池器件的組裝過程中，鈣鈦礦層的成膜質(zhì)量對電池性能的影響尤為重要。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：采用兩步溶液法在2000rpm的旋涂速率下組裝的鈣鈦礦層表面晶體顆粒大小均勻、平整度

6、高，吸光度好。晶化時(shí)間在30min可顯著提高電池 PCE，晶化過程中對其施加一定溫度可有效調(diào)控鈣鈦礦晶體的大小，得到適宜厚度的鈣鈦礦太陽能電池空穴傳輸層，減小電子和空穴在傳輸時(shí)因晶界產(chǎn)生能量損耗，改善電池的性能參數(shù)。當(dāng)晶化溫度為120?C時(shí)，電池的PCE在目前實(shí)驗(yàn)下最好為5.54%。
　　4.在上述鈣鈦礦薄膜的工藝基礎(chǔ)上，將NiO薄膜作為空穴層傳輸材料應(yīng)用于倒置、平面異質(zhì)結(jié)構(gòu)p-NiO/CH3NH3PbI3/n-PCBM型鈣鈦礦太