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卤素/拟卤素混合铅源钙钛矿太阳电池的研究

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摘要

第一章 绪论

1.1 太阳电池的分类及发展历程

1.2 钙钛矿材料及其特点

1.3 钙钛矿太阳电池的结构及研究进展

1.3.1 介孔结构钙钛矿太阳电池

1.3.2 平板结构钙钛矿太阳电池

1.4 钙钛矿太阳电池的研究现状

1.4.1 导电基底及背电极

1.4.2 电子传输材料

1.4.3 钙钛矿光吸收层材料

1.4.4 空穴传输层材料

1.5 选题背景及意义

1.6 主要研究内容

2.1 实验材料

2.2 实验设备

2.3 实验部分

2.3.1 溶液配制

2.3.2 实验过程

2.4 表征和测试方法

第三章 卤素肘以卤素混合铅源钙钛矿太阳电池的研究

3.1 引言

3.2 不同Pb(SCN)2:PbBr2配比制备的铅源的表征分析

3.2.1 XRD表征分析

3.2.2 UV-vis表征分析

3.2.3 SEM表征分析

3.3 不同Pb(SCN)2:PbBr2配比对钙钛矿材料的影响

3.3.1 XRD表征分析

3.3.2 UV-vis和PL表征分析

3.3.3 TRPL表征分析

3.3.4 SEM表征分析

3.3.5 AFM及晶粒尺寸表征分析

3.4 CH3NH3PbI3薄膜形成过程XRD表征分析

3.5 不同Pb(SCN)2:PbBr2配比对钙钛矿太阳电池性能的影响

3.6 本章小结

第四章 三阴离子混合铅源钙钛矿太阳电池的研究

4.1 引言

4.2.2 UV-vis和PL表征分析

4.2.3 SEM及晶粒尺寸表征分析

4.3 不同PbI2:PbBr2:Pb(SCN)2配比对钙钛矿太阳电池性能的影响

4.4 本章小结

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果

致谢

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摘要

近年来,一种有机-无机杂化钙钛矿结构的新型材料获得了太阳电池领域的广泛关注,这种材料具有一系列适用于太阳电池吸光材料的性质,如双极性电荷传输,高吸收系数和合理的电子/空穴扩散长度。短短数年时间,其光电转化效率从3.8%发展到了22%以上。
  钙钛矿光吸收层的制备对于钙钛矿太阳电池的器件性能的影响至关重要。其中,甲胺铅碘钙钛矿CH3NH3PbI3(MAPbI3)是被最早应用的典型钙钛矿结构。低压气相辅助溶液法是气相法的分支之一,该方法避开了在铅源沉积过程中需要的高温高真空过程,同时保留了气相法高度可控、制备的薄膜质量极高的优点。在CH3NH3PbI3的合成过程中引入其他卤素及拟卤素离子,被认为是优化光学性能,提高电池性能的有效方法之一。混合铅源能优化钙钛矿薄膜的形成过程,改善薄膜形貌,提高覆盖率,从而提升钙钛矿电池的转化效率。
  本文使用PbBr2/Pb(SCN)2作为混合铅源,采用低压气相辅助溶液法制备了结构为FTO/TiO2致密层/C60/CH3NH3PbI3/Spiro-OMeTAD/Au的平面结构钙钛矿太阳电池。我们对混合铅源和钙钛矿薄膜进行了形貌、结构以及光学性能等测试表征,研究卤素/拟卤素离子在钙钛矿薄膜中的作用以及对电池性能的影响。结果表明,在反应过程中铅源首先与MAI反应生成PbI2,进而由PbI2与MAI生成CH3NH3PbI3薄膜。反应步骤的增加可以有效减缓钙钛矿薄膜的形成过程,增大晶粒尺寸。铅源中PbBr2∶Pb(SCN)2的不同配比对薄膜的形貌及器件性能有较为明显的影响。PbBr2∶Pb(SCN)2配比为3∶2时获得了最高12.17%的电池效率。
  本文进一步使用PbI2、PbBr2和Pb(SCN)2三铅源共混制备了平面结构钙钛矿太阳电池。探究了不同PbI2∶PbBr2∶Pb(SCN)2配比对CH3NH3PbI3薄膜及电池性能的影响。Pb(SCN)2的加入可以改善薄膜的平整度和致密性,但如果过多的提高Pb(SCN)2的比例而使PbBr2的比例下降则会降低CH3NH3PbI3晶粒尺寸。通过对比不同PbI2∶PbBr2∶Pb(SCN)2配比制备的钙钛矿电池的光伏特性可以看出,少量添加Pb(SCN)2可以提高电池的光电性能。如果过多的提高Pb(SCN)2的比例,各项光电性能参数反而会随之下降。当PbI2∶PbBr2∶Pb(SCN)2配比为1∶3∶1条件下制备的钙钛矿太阳电池获得了最高14.06%的光电转换效率。

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