介孔鈣鈦礦太陽(yáng)電池及新型氧化物太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的太陽(yáng)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(wú)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(zhǎng)的電荷擴(kuò)散長(zhǎng)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(yáng)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(jiǎn)單的低溫溶液法制備。最近，

2、鈣鈦礦太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率在短短的幾年內(nèi)，已從開(kāi)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(yáng)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(guò)電化學(xué)阻抗譜分析了不同形貌的鈣鈦礦對(duì)太陽(yáng)電池內(nèi)部電荷復(fù)合動(dòng)力學(xué)過(guò)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(yáng)電池的開(kāi)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(yáng)電池的性能有著重要的影響。因此，開(kāi)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(yáng)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(guò)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(kāi)路電壓，且電池的光電轉(zhuǎn)換效率超過(guò)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(kāi)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(yáng)電池的空穴傳輸材料來(lái)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(yáng)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(guò)程，以及對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)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(yáng)電池中復(fù)合過(guò)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(wú)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(yáng)電池。采用紫外可見(jiàn)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(yáng)電池中。該研究結(jié)果不但提供了一種簡(jiǎn)單制備氧化物BiVO4量子點(diǎn)的方法，并且為