鈣鈦礦太陽能電池關鍵組成材料的制備與性能研究.pdf

1、鈣鈦礦太陽能電池由于材料可調變、轉化效率高、制備工藝簡單、成本低廉等優(yōu)點，近年來成為了太陽能電池中最受矚目的新星，發(fā)展極為迅速，目前最高能量轉化效率已經突破20％，與碲化鎘和銅銦鎵硒(CIGS)等第二代太陽能電池的水平相當。在短短幾年的發(fā)展進程中，鈣鈦礦太陽能電池從最初使用液態(tài)電解質的敏化電池演變?yōu)楣虘B(tài)敏化電池，并逐漸發(fā)展出了三維異質結電池、平面異質結電池、有機反式結構電池等多種電池結構。在各種不同的電池結構中，鈣鈦礦太陽能電池關鍵組成

2、材料（鈣鈦礦吸光材料、空穴/電子傳輸材料等）的選擇和優(yōu)化對提升電池能量轉化效率和穩(wěn)定性尤為重要，因此一直是鈣鈦礦太陽能電池的研究重點。本論文從不同的關鍵組成材料出發(fā)，分別構建了多種結構的鈣鈦礦太陽能電池，并通過優(yōu)化合成方法或制備工藝，使電池性能和應用潛力得到了較大的提升。
　　(1)從開發(fā)穩(wěn)定高效的新型空穴傳輸材料(HTMs)出發(fā)，首次采用p型聚合物PCBTDPP作為HTM，與CH3NH3PbBr3或CH3NH3PbI3敏化的多孔

3、TiO2成功構建了固態(tài)敏化結構的鈣鈦礦太陽能電池。實驗結果顯示基于PCBTDPP的鈣鈦礦太陽能電池可以取得高于P3HT等經典聚合物型HTMs的電池性能，尤其是CH3NH3PbBr3/PCBTDPP電池可以取得最高1.24 V的開路電壓，且CH3NH3PbI3/PCBTDPP電池的轉換效率達到了5.6％，并表現(xiàn)出了較好的穩(wěn)定性，暗態(tài)空氣氣氛下保存1100 h轉化效率無明顯下降。
　　(2)從開發(fā)高性能一維結構電子傳輸材料(ETMs)

4、出發(fā)，發(fā)展了一種不含強酸的溫和水熱制備法，成功在FTO基底上生長了金紅石相的一維TiO2納米棒和納米錐的陣列，并且詳細考察了各合成參數對一維TiO2形貌的影響。通過改變反應時間和各初始反應物濃度，可以對TiO2納米棒/錐的長度、直徑和密度進行調控，使其適合于鈣鈦礦吸光材料的填充。在此基礎上，利用制備的一維TiO2陣列作為ETMs，成功構建了高效的三維異質結結構的鈣鈦礦太陽能電池。由于納米錐具有的空隙結構更開放，而且電子注入和傳輸效率更高

5、，作為ETMs應用于鈣鈦礦太陽能電池中取得了高于納米棒的轉化效率。
　　(3)從改進均勻大面積鈣鈦礦平板薄膜的制備工藝出發(fā)，開發(fā)了一種新的氣固相反應方法:直接接觸-插層法(direct contact and intercalation process，DCIP)。通過DCIP法，可以簡單有效地在大面積基底上成功制備出均勻致密的CH3NH3PbI3薄膜，以此構建的小面積平面異質結鈣鈦礦太陽能電池最高轉化效率達到16.0％，并且在5

6、.0 cm×5.0 cm基底上制備的1.00 cm2的大面積的電池效率也達到了12.6％，顯示出了較高的規(guī)?；瘽摿?。
　　(4)從提高一步法旋涂制備的鈣鈦礦薄膜質量和電池性能出發(fā)，采用N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和1,4-丁內酯(GBL)分別與二甲基亞砜(DMSO)混合作為旋涂溶劑，在TiO2致密層上旋涂制備了高質量的鈣鈦礦平板薄膜，并且詳細考察了溶劑混合比例對鈣鈦礦薄膜的形貌和電池性能的影響，最佳條件下(40 vol.％ DM