基于BaTiO3改性电子传输层的平面太阳能电池性能研究

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社会长期发展以来,人们对不可再生能源的日益过度消耗,引起了能源危机和环境污染等一系列问题。人们迫切的需要新的清洁能源来代替不可再生能源。太阳能是最常见的安全、无污染、成本低廉的可再生能源。目前,在众多的可直接将太阳的光能转换为电能的光伏技术中,钙钛矿太阳能电池是广大科研工作者的研究热点。钙钛矿太阳电池在最近几年发展很快,在短短十年内其光电转换效率已超过24%。在钙钛矿太阳能电池中,具有较低的复合率,更强的光吸收,双极性电荷传输和长的载流子扩散长度的钙钛矿CH3NH3PbI3(MAPbI3)成为钙钛矿太阳能电池光敏化剂。具有良好带隙匹配和良好的光电化学稳定性的二氧化钛(TiO2)被广泛用作电子收集和传输材料。钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性不仅取决于良好的吸光材料、合适的电子(空穴)传输材料,还和吸光材料与电子(空穴)传输材料之间的界面有着重要关系。本论文主要围绕改善电子传输层(ETL)/钙钛矿光吸收层的界面以及提高钙钛矿薄膜的质量展开研究。将致密的TiO2(bl-TiO2)薄膜浸入硝酸钡溶液,然后进行干燥并退火,在bl-TiO2薄膜表面形成BaTiO3纳米薄膜,探讨浸泡周期对平面钙钛矿太阳能电池性能的影响。所制备的无机钙钛矿BaTiO3作为晶种,促进有机-无机钙钛矿MAPbI3快速成核与生长。研究发现,MAPbI3晶粒在扫描电子显微镜(SEM)中显示出更大的尺寸,并且同时实现了更高的光吸收和填充因子(FF)。本论文中主要内容如下:(1)将碘化铅(PbI2)和碘甲胺(MAI)溶于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)与二甲基亚砜(DMSO)混合溶剂(DMF-DMSO)中制备MAPbI3前驱溶液,通过一步旋涂法将前驱溶液旋涂在bl-TiO2薄膜上并进行热处理,制得MAPbI3吸光层。通过调节DMF-DMSO体积比,研究其对MAPbI3结晶性、形貌以及电池性能的影响。当DMF-DMSO体积比为4/6时,MAPbI3晶粒生长完全,晶界分明,由此制得的钙钛矿太阳电池效率达到15.03%。(2)将bl-TiO2薄膜浸泡在硝酸钡(Ba(NO32)水溶液中,干燥并退火,得到BaTiO3改性bl-TiO2电子传输层。其用来修饰ETL和MAPbI3之间的界面,从而电池的光伏性能得到改善。通过X射线衍射和X射线光电子能谱分析,证明在bl-TiO2表面形成BaTiO3薄膜。此外,由于钙钛矿型BaTiO3纳米晶的存在,促进MAPbI3快速成核与生长,使其晶粒尺寸变大。对基于bl-TiO2/BaTiO3的电池进行了光电流密度-电压曲线(J-V曲线)测试,当浸泡到第4周期时,钙钛矿太阳电池的光电转化效率为17.71%。
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