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新型空穴传输层钙钛矿电池的制备与性能研究

新型空穴传输层钙钛矿电池的制备与性能研究

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作者：贺凤龙武汉理工大学

学位级别：硕士

21世纪人类面临能源和环境两大问题。寻求可再生的绿色新能源成为解决上述问题的有效途径。太阳能由于具有绿色、无污染的特点,成为了最具开发前景的新能源之一,利用太阳能的重要装置就是太阳能电池。最近,有机-无机杂化钙钛矿太阳能电... 详细信息

21世纪人类面临能源和环境两大问题。寻求可再生的绿色新能源成为解决上述问题的有效途径。太阳能由于具有绿色、无污染的特点,成为了最具开发前景的新能源之一,利用太阳能的重要装置就是太阳能电池。最近,有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池由于制备过程简单和性能高的特点已成为目前太阳能电池的研究热点,它主要由基底层、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层和金属电极五个部分组成。其中,空穴传输层作为钙钛矿太阳能电池的重要组成部分可以有效的转移钙钛矿光激发后产生的空穴,使电池的性能大幅的提升。但是,目前采用的空穴传输材料如spiro-OMeTAD等制备过程复杂并且价格昂贵,不利于电池的工业化生产,有必要研究和开发新型的空穴传输材料。本论文针对传统空穴传输材料的问题,分别以无机钙钛矿kpbi和无定形TiO作为新型空穴传输层增强钙钛矿太阳能电池的光电性能。具体研究内容如下:1)采用固相法合成无机钙钛矿kpbi,将其应用到钙钛矿太阳能电池。通过等摩尔的KI和PbI反应物在N气氛围中350℃煅烧2 h合成无机钙钛矿kpbi,并且以无机钙钛矿kpbi作为空穴传输层制备钙钛矿太阳能电池。分别研究了不同量的无机钙钛矿kpbi空穴传输层对电池光电转化性能的影响。研究结果表明:含有无机钙钛矿kpbi空穴传输层的电池性能均高于无空穴传输层的电池性能;当kpbi空穴传输材料在电池中的含量占基底层TiO为3 wt%时,电池的光电转化效率达到最高值(4.97%),约是无空穴传输层钙钛矿电池性能(2.55%)的2倍。以还原石墨烯(rGO)代替Pt电极作为对电极,上述上述最高性能电池的光电转化效率进一步提高到5.85%。性能提升的主要原因是:(a)无机钙钛矿kpbi可以有效的转移钙钛矿光激发后产生的空穴,提高了光激发产生的电子-空穴对的分离;(b)无机钙钛矿kpbi纳米颗粒可以与钙钛矿和金属电极充分的接触,有效的降低了界面之间的电阻,提高了电荷在界面间转移的速率。本研究采用新型的无机钙钛矿kpbi作为空穴传输材料,为新型空穴传输层的研究提供了一种思路。2)采用水解法合成了无定形TiO,将此材料作为空穴传输层应用到钙钛矿太阳能电池中。具体合成过程是通过钛酸四丁酯在乙醇溶液中的水解作用,制备无定形TiO,采用旋涂法制备了以不同量的无定形TiO为空穴传输层,组装成钙钛矿太阳能电池,并且测试了光电转化性能。光电测试结果表明:以不同量的无定形TiO为空穴传输层的钙钛矿电池性能均高于无空穴传输层的电池;当无定形TiO的含量为基底层TiO的1 wt%时,制备的钙钛矿太阳能电池的光电转化性能达到最高值7.71%,是无空穴传输材料的性能(1.70%)的4.5倍。以rGO作为对电极的替代Pt对电极,上述最高性能电池的光电转化效率进一步提高到了8.01%。性能提升的原因是:(a)当光激发钙钛矿产生的空穴-电子对时,无定形TiO表面的氧缺陷可以有效的转移空穴,使钙钛矿产生的空穴-电子对得到有效的分离。(b)纳米颗粒的无定形TiO有效的填充了钙钛矿薄膜产生的孔洞,提高了膜层的平整度,与金属电极接触良好,从而减少了界面之间的界面电阻,为电子或空穴的传输提供了良好的条件。本研究采用了一种无定形态的氧化物作为空穴传输材料,为新型空穴传输材料的研究提供了新的思路。

关键词：钙钛矿太阳能电池空穴传输材料 kpbi3 无定形TiO2 光电性能

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