钙钛矿太阳能电池碳对电极的制备及其改性研究

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自从2009年,钙钛矿材料(MAPbX3)作为固体染料引入到多孔TiO2层中制备染料敏化太阳能电池,获得3.8%的光电转换效率以来,钙钛矿太阳能电池(Perovskite solar cells,PSCs)的效率稳步提升,目前已达到22.7%,该太阳能电池具有原料来源广、制作成本低、制备工艺相对简单、光电转换效率高等优点已成为新能源发电领域的研究热点。对电极在钙钛矿太阳能电池中扮演着重要角色,其在器件中的作用是收集光生空穴,以减少复合损失。因此,作为对电极材料要求高功函并与钙钛矿材料的最高占据轨道(Highest occupied molecular orbital,HOMO)能级匹配且具有良好的导电性和稳定性。目前,钙钛矿太阳能电池对电极材料通常采用稀贵金属(如Au、Ag等)且通过高真空蒸发制备电极,制备成本较为昂贵,不利于大规模商业化应用。为了进一步在较高的光电转换效率的基础上降低其成本,研究人员开始采用低成本的碳材料作为电池的对电极,但性能不够理想,而对于采用不同类型的碳材料制备复合电极的研究还很少。针对目前碳对电极中存在的问题,本文采用高比表面积、导电性能优异的石墨烯或碳纳米管修饰介孔碳材料制备高效的对电极,探讨不同碳材料的混合比率对常规的介孔碳电极性能的影响规律,以期设计制备高效率的钙钛矿太阳能电池。利用SEM、UV-Vis、XRD、比表面积测试、接触角测试、方阻测试、EIS电化学阻抗测试、J-V测试、IPCE测试、稳定性测试等分析测试手段对所制备的材料进行表面形貌及微光结构、光吸收特性、比表面积、电化学特性等进行检测分析。主要研究内容如下:(1)采用石墨烯混合块体石墨/碳黑制备多孔导电碳膜,通过调节石墨烯的掺杂比率,从薄膜方阻、比表面积以及对钙钛矿溶液的浸润性着手,获得了综合性能较优的碳对电极。同时,设计制备了基于石墨烯掺杂碳电极的钙钛矿太阳能电池,光电性能测试表明,石墨烯添加量为5%时,电池性能最优,光电转换效率为12.62%。(2)采用碳纳米管改性制备了多孔导电碳电极,通过薄膜方阻、比表面积以及电化学阻抗谱表征,研究了碳纳米管改性介孔碳电极对钙钛矿太阳能电池性能的影响。通过优化碳纳米管掺杂量,制备出最优的电池,光电性能测试表明,碳纳米管添加量为5%时,电池性能最优,光电转换效率为13.67%,获得了优化的制备工艺技术。
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