TiO2纳米棒阵列基无空穴传输层碳对电极钙钛矿太阳能电池研究

作     者：王佳敏 

作者单位：华中师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：唐一文

授予年度：2018年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：水热法 TiO2纳米棒阵列 钙钛矿太阳能电池 无空穴传输层碳对电极 

摘      要：随着传统的化石能源的日益枯竭,人们转向了对新能源的开发利用。从最初的硅基太阳能电池到现在的染料敏化太阳能电池(DSSCs)和钙钛矿太阳能电池(PSCs),其中PSCs更是凭借其全固态安全性和制作工艺简单等优点,得到了广泛的研究。迄今为止,PSCs的光电转换效率已经超过20%在传统的PSCs结构中通常包含有空穴传输材料(HTM)和贵金属对电极,HTM和贵金属的使用无疑会提高电池的制作成本。为了减少电池的成本和简化电池制作工艺,研究者使用了一种丝网印刷技术来制备PSCs。其中Han课题组通过丝网印刷技术直接在覆有晶种层的FTO导电玻璃上分别刷上Tio层,ZrO层和C层,再将钙钛矿前驱液直接滴入,获得了超过12%的光电转换效率,有希望实现产业化。为了进一步减少PSCs的制作成本,我们考虑使用低温C代替需要高温退火的C浆料,并且省去ZrO2层,使得电池的结构变为更加简单。同时考虑到Ti02纳米棒阵列(TiO2 nanorod arrays,TiO2-NR)相对于TiO颗粒具有更快的电子传输速率和光散射能力,因此本论文采用水热法制备了 TiO-NR作为电子传输层材料,并组装成无空穴传输层碳对电极的PSCs。研究了不同水热条件下TiO-NR对PSCs性能的影响,具体工作内容如下:(1)制备Ti02-NR基C对电极PSCs,研究阵列参数对电池性能的影响。利用水热法在覆有晶种层的FTO导电玻璃上生长Ti02-NR,通过对不同水热条件下生长的纳米棒阵列进行SEM表征,讨论在不同水热条件下纳米Ti02的生长过程。将不同水热条件下生长的TiO-NR组装成PSCs(具体结构为:FTO/ETL/Ti02-NR/ZrO2/C),再将钙钛矿前驱液从碳层滴入,退火后对其进行J-V性能测试。实验结果表明电池的性能受阵列孔隙和TiO-NR长度共同影响。将140℃/3h水热条件下生长的TiO-NR组装成PSCs,电池的开路电压为0.85V,短路电流密度是18.59mA/cm2,光电转换效率达到7.5%。(2)为了进一步减少电池制作成本,我们在(1)的研究基础上去除了Zr0层,采用反溶剂法制备了结晶性良好的MAPbI吸光层,并使用低温C代替需要高温退火的碳浆。省去两步退火步骤,使制作工艺变得更加简便,制备的电池结构更加简单(具体结构为:FTO/ETL/TiO-NR/MAPbI/C)。在(1)的研究结果基础上,将140℃/2h和140℃/3h水热条件下生长的TiO-NR组装成低温碳对电极PSCs。对TiO-NR进行PL测试,结果表明水热140℃/2h条件下制备的纳米棒阵列有着更快的电子注入速率。以及对电池进行J-V性能测试,实验结果表明水热140℃/2h条件下制备的TiO-NR所组装的电池有着更高的短路电流密度,其平均短路电流密度达到了 17.16 mA/cm远高于水热140℃/3h条件生长的TiO2-NR组装的电池的短路电流密度(13.56 mA/cm2)。基于水热140℃/2h条件下制备的Ti02-NR组装的电池获得了最高7.2%的光电转换效率,平均光电转换效率达6.2%。