新型空穴傳輸層鈣鈦礦電池的制備與性能研究.pdf

1、21世紀(jì)人類面臨能源和環(huán)境兩大問題。尋求可再生的綠色新能源成為解決上述問題的有效途徑。太陽能由于具有綠色、無污染的特點(diǎn)，成為了最具開發(fā)前景的新能源之一，利用太陽能的重要裝置就是太陽能電池。最近，有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦太陽能電池由于制備過程簡單和性能高的特點(diǎn)已成為目前太陽能電池的研究熱點(diǎn)，它主要由基底層、電子傳輸層、鈣鈦礦層、空穴傳輸層和金屬電極五個部分組成。其中，空穴傳輸層作為鈣鈦礦太陽能電池的重要組成部分可以有效的轉(zhuǎn)移鈣鈦礦光激發(fā)后產(chǎn)生

2、的空穴，使電池的性能大幅的提升。但是，目前采用的空穴傳輸材料如spiro-OMeTAD等制備過程復(fù)雜并且價(jià)格昂貴，不利于電池的工業(yè)化生產(chǎn)，有必要研究和開發(fā)新型的空穴傳輸材料。本論文針對傳統(tǒng)空穴傳輸材料的問題，分別以無機(jī)鈣鈦礦KPbI3和無定形TiO2作為新型空穴傳輸層增強(qiáng)鈣鈦礦太陽能電池的光電性能。具體研究內(nèi)容如下：
　　1)采用固相法合成無機(jī)鈣鈦礦KPbI3，將其應(yīng)用到鈣鈦礦太陽能電池。通過等摩爾的KI和PbI2反應(yīng)物在N2氣氛

3、圍中350℃煅燒2h合成無機(jī)鈣鈦礦KPbI3，并且以無機(jī)鈣鈦礦KPbI3作為空穴傳輸層制備鈣鈦礦太陽能電池。分別研究了不同量的無機(jī)鈣鈦礦KPbI3空穴傳輸層對電池光電轉(zhuǎn)化性能的影響。研究結(jié)果表明：含有無機(jī)鈣鈦礦KPbI3空穴傳輸層的電池性能均高于無空穴傳輸層的電池性能；當(dāng)KPbI3空穴傳輸材料在電池中的含量占基底層TiO2為3wt％時(shí)，電池的光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到最高值(4.97%)，約是無空穴傳輸層鈣鈦礦電池性能(2.55%)的2倍。以還原

4、石墨烯(rGO)代替Pt電極作為對電極，上述上述最高性能電池的光電轉(zhuǎn)化效率進(jìn)一步提高到5.85%。性能提升的主要原因是：(a)無機(jī)鈣鈦礦KPbI3可以有效的轉(zhuǎn)移鈣鈦礦光激發(fā)后產(chǎn)生的空穴，提高了光激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對的分離；(b)無機(jī)鈣鈦礦KPbI3納米顆?？梢耘c鈣鈦礦和金屬電極充分的接觸，有效的降低了界面之間的電阻，提高了電荷在界面間轉(zhuǎn)移的速率。本研究采用新型的無機(jī)鈣鈦礦KPbI3作為空穴傳輸材料，為新型空穴傳輸層的研究提供了一種思路

5、。
　　2)采用水解法合成了無定形TiO2，將此材料作為空穴傳輸層應(yīng)用到鈣鈦礦太陽能電池中。具體合成過程是通過鈦酸四丁酯在乙醇溶液中的水解作用，制備無定形TiO2，采用旋涂法制備了以不同量的無定形TiO2為空穴傳輸層，組裝成鈣鈦礦太陽能電池，并且測試了光電轉(zhuǎn)化性能。光電測試結(jié)果表明：以不同量的無定形TiO2為空穴傳輸層的鈣鈦礦電池性能均高于無空穴傳輸層的電池；當(dāng)無定形TiO2的含量為基底層TiO2的1wt%時(shí)，制備的鈣鈦礦太陽能電

6、池的光電轉(zhuǎn)化性能達(dá)到最高值7.71%，是無空穴傳輸材料的性能(1.70%)的4.5倍。以rGO作為對電極的替代Pt對電極，上述最高性能電池的光電轉(zhuǎn)化效率進(jìn)一步提高到了8.01%。性能提升的原因是：(a)當(dāng)光激發(fā)鈣鈦礦產(chǎn)生的空穴-電子對時(shí)，無定形TiO2表面的氧缺陷可以有效的轉(zhuǎn)移空穴，使鈣鈦礦產(chǎn)生的空穴-電子對得到有效的分離。(b)納米顆粒的無定形TiO2有效的填充了鈣鈦礦薄膜產(chǎn)生的孔洞，提高了膜層的平整度，與金屬電極接觸良好，從而減少了