金屬氧化物傳輸層鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的制備及性能研究.pdf

1、鈣鈦礦太陽(yáng)能電池以其較高的吸光系數(shù)，優(yōu)良的載流子傳輸性能，較高的開路電壓，制備工藝簡(jiǎn)單，可制備柔性器件等優(yōu)點(diǎn)備受科研工作者的關(guān)注，近年來鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效率不斷取得突破，到目前為止,鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的最高光電轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到22.1％。雖然發(fā)展迅速，但是鈣鈦礦太陽(yáng)能電池也存在著許多問題，其中最主要的問題就是這種電池的穩(wěn)定性極差，這是目前制約鈣鈦礦太陽(yáng)能電池發(fā)展的關(guān)鍵問題，其中影響鈣鈦礦太陽(yáng)能電池穩(wěn)定性的因素主要是鈣鈦礦吸收層和傳輸層材料

2、這兩種，有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦吸收層在空氣中遇極性溶劑很快就會(huì)分解，而且傳統(tǒng)的有機(jī)傳輸層材料則本身就不穩(wěn)定，這些都會(huì)影響電池的性能。因此我們使用比較穩(wěn)定的無機(jī)半導(dǎo)體材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有機(jī)材料作為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的傳輸層材料來增加電池的穩(wěn)定性。無機(jī)半導(dǎo)體如NiOx和ZnO雖然在空氣中很穩(wěn)定，但都是本征半導(dǎo)體，這類半導(dǎo)體的普遍特點(diǎn)就是載流子濃度較低，當(dāng)把它們作為傳輸層材料運(yùn)用到鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中時(shí)并不能很好地提高電池的性能，而提高本征半導(dǎo)體載流子

3、濃度最簡(jiǎn)單直接的方法就是對(duì)其進(jìn)行元素?fù)诫s。
　　本論文旨在用NiOx和ZnO分別代替Spiro-OMeTAD和PCBM這兩種傳統(tǒng)的有機(jī)傳輸層材料，并分別對(duì)其進(jìn)行p型和n型摻雜來提高二者的載流子濃度，實(shí)現(xiàn)在提高其在載流子傳輸能力的同時(shí)增加鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性，從而實(shí)現(xiàn)金屬氧化物傳輸層鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的制備，具體工作分為以下三個(gè)部分：
　　(1) NiOx是一種直接帶隙半導(dǎo)體材料，禁帶寬度為4.0 eV，由于具有大量的Ni2

4、+空位而使其呈現(xiàn)優(yōu)良的p型半導(dǎo)體性質(zhì)，因此成為無機(jī)空穴傳輸材料的首選，但是本征NiOx薄膜載流子濃度較低，不利于制備高性能的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，最為明顯的表現(xiàn)就是所制備的電池的短路電流較低。我們首次采用溶膠-凝膠法將Li元素和Cu元素同時(shí)摻雜到NiOx薄膜中，并作為空穴傳輸層運(yùn)用到鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中。Cu的摻雜可以提高NiOx薄膜的載流子濃度和載流子遷移率，但同時(shí)也會(huì)降低薄膜的光透過性；而Li的摻雜則可以通過提高薄膜的結(jié)晶性來增加其透過率

5、，使太陽(yáng)光能更好地從NiOx薄膜中透過被鈣鈦礦吸收層吸收，增加太陽(yáng)光的利用率。我們將本征NiOx薄膜，Cu摻雜NiOx薄膜，Li，Cu 共摻雜NiOx薄膜分別作為空穴傳輸層材料來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有機(jī)傳輸層材料，發(fā)現(xiàn)以本征NiOx薄膜為空穴傳輸層的電池效率只有7.94%，而Li，Cu共摻雜NiOx薄膜為空穴傳輸層的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效率高達(dá)14.53%，而電池性能提高的主要因素則是短路電流和填充因子的提高。至此本章節(jié)提出，通過Li，C

6、u共摻雜的NiOx薄膜作為空穴傳輸層能更好地傳輸載流子，從而提高鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的性能。
　　(2)本征ZnO是典型的n型半導(dǎo)體材料，禁帶寬度為3.37 eV，由于其比TiO2更穩(wěn)定，遷移率更高而被越來越多地用于鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的電子傳輸層材料。但是本征ZnO的載流子濃度較低，目前n型摻雜是提高ZnO半導(dǎo)體載流子濃度的主要手段，在ZnO中引入Al，In，Ga等元素，制備n型的ZnO納米晶，可以顯著提高其載流子濃度。我們選用In作為

7、摻雜元素來對(duì)ZnO進(jìn)行n型摻雜。我們采用一鍋法成功合成不同摻雜濃度的摻In-ZnO納米晶，通過對(duì)其進(jìn)行元素分析和形貌表征，發(fā)現(xiàn)我們所合成的納米晶中In的實(shí)際摻雜量與理論值相差不大，說明In的摻入效率相對(duì)較高。從透射電鏡下可以看出我們所制備的納米晶顆粒尺寸十分均勻，隨后我們將不同摻雜濃度的摻In-ZnO納米晶作為電子傳輸層運(yùn)用到正型鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中。當(dāng)摻In的含量為3%時(shí)，電池的效率達(dá)到最高為13.45%，而以本征ZnO為電子傳輸層的電

8、池效率則只有9.31%，說明In的摻雜能夠提高電子傳輸層的載流子傳輸能力，從而提高其電池性能。
　　(3)第三部分工作是在以上兩個(gè)工作的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，將優(yōu)化過的Li, Cu-NiOx和摻In-ZnO分別代替Spiro-OMeTAD和PCBM作為空穴傳輸層材料和電子傳輸層材料同時(shí)運(yùn)用到鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中，制備金屬氧化物傳輸層鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，達(dá)到在提高電池的效率的同時(shí)降低電池的制作成本，同時(shí)無機(jī)金屬氧化物的引入也會(huì)進(jìn)一步提高電池的穩(wěn)