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《CH3NH3PbI3鈣鈦礦電池的制備與電荷傳輸機(jī)制研究》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。
1、中圖分類號：O472論文編號：143101404學(xué)科分類號：430.5540密級：天津理工大學(xué)博士研究生學(xué)位論文CH3NH3PbI3鈣鈦礦電池的制備與電荷傳輸機(jī)制研究（申請博士學(xué)位）一級學(xué)科：材料科學(xué)與工程學(xué)科專業(yè)：材料科學(xué)與工程研究方向：鈣鈦礦太陽能電池作者姓名：宗雪平指導(dǎo)教師：薛松教授ThesisSubmittedtoTianjinUniversityofTechnologyfortheDoctor’sDegreeDeviceFabricationofPerovskiteSolarCellsBasedonCH3NH3PbI3andTheoretical
2、StudyoftheChargeTransportingMechanismByXuepingZongSupervisorSongXue摘要鈣鈦礦太陽能電池發(fā)展迅速，目前實驗室驗證效率已經(jīng)達(dá)到22.1%。優(yōu)化鈣鈦礦電池內(nèi)部關(guān)鍵材料和界面特性，對提高電池的光伏性能具有重要作用，一直是鈣鈦礦電池的研究熱點。本論文通過優(yōu)化鈣鈦礦形貌、引入新型有機(jī)空穴傳輸材料、使用還原氧化石墨烯進(jìn)行界面修飾等方法，控制鈣鈦礦電池內(nèi)部各界面間的載流子動力學(xué)行為，增強(qiáng)電池的光伏性能，提高器件的穩(wěn)定性。（1）選用甲胺鉛碘（MAPbI3）作為鈣鈦礦前驅(qū)體，通過“一步旋涂法”在TiO2基底表
3、面沉積幾微米長的中空納米管狀鈣鈦礦，利用氯苯作為反溶劑制備平面鈣鈦礦，研究鈣鈦礦形貌對電池性能的研究。XRD結(jié)果證明兩種鈣鈦礦均為四方體晶體結(jié)構(gòu)。SEM圖顯示空穴傳輸材料spiro-OMeTAD充分包覆鈣鈦礦納米管，增大了spiro-OMeTAD和鈣鈦礦的接觸面積，降低了電荷復(fù)合速率，提高了鈣鈦礦電池的電荷收集效率20倍。所制備的管狀鈣鈦礦電池的開路電壓達(dá)到841mV,比平面鈣鈦礦電池高42mV，填充因子明顯增加，基于碳對電極的鈣鈦礦電池的光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到7.4%。（2）通過改變預(yù)設(shè)偏壓、“光浸”時間和照射光強(qiáng)等條件，分別測定了鈣鈦礦電池的瞬態(tài)電流衰
4、減曲線，以及J-V特征階躍曲線。利用標(biāo)度率衰減函數(shù)擬合測試結(jié)果，對電流滯后效應(yīng)進(jìn)行分析，結(jié)果表明：光生電流的滯后效應(yīng)由離子遷移效應(yīng)導(dǎo)致，暗態(tài)條件下的電流滯后效應(yīng)主要由電容效應(yīng)控制。此外，通過控制鈣鈦礦前驅(qū)液濃度和旋涂速度來改變鈣鈦礦層厚度，研究了鈣鈦礦薄膜厚度與電流滯后效應(yīng)的關(guān)系，結(jié)果表明降低鈣鈦礦膜厚，可以削弱電流滯后效應(yīng)。（3）設(shè)計合成四種新型有機(jī)空穴傳輸分子，研究了分子結(jié)構(gòu)、輔劑用量對鈣鈦礦電池性能的影響。Q216和Q219是以咔唑-二苯胺為端位基團(tuán)，以聯(lián)二萘胺為母核的同分異構(gòu)體，雙（4-甲氧基苯基）胺基團(tuán)（DMPA）分別連接在咔唑的“2”位（2-D
5、MPA）和“3”位（3-DMPA）。Q219的電導(dǎo)率和空穴遷移率高于Q216，與spiro-OMeTAD相當(dāng)；阻抗測試結(jié)果證明，咔唑-二苯胺的“3-BMPA”結(jié)構(gòu)有利于降低電池的電荷復(fù)合速率。以Q219制備的鈣鈦礦電池的開路電壓比Q216要高99mV，達(dá)到949mV，光電轉(zhuǎn)化效率為9.31%，與spiro-OMeTAD相當(dāng)（10.01%）。以“3-DMPA”的咔唑-二苯胺為供電基團(tuán)，以聯(lián)二萘酚為母核，在母核中分別引入芐基和己基側(cè)鏈，設(shè)計合成空穴傳輸材料Q221和Q222。發(fā)現(xiàn)母核側(cè)鏈采用剛性較大的芐基時，空穴傳輸分子的電導(dǎo)率高于spiro-OMeTAD。當(dāng)
6、空穴傳輸材料中的輔劑Li-TFSI和TBP濃度減少50%，即采用15mMLi-TFSI和100mMTBP，基于Q221的電池光電轉(zhuǎn)化效率為10.37%，高于spiro-OMeTAD（8.84%）。未封裝電池器件置于28℃、IRH35%的暗態(tài)環(huán)境下老化192h，電池的穩(wěn)定性強(qiáng)弱順序為Q221>spiro-OMeTAD>Q222，與空穴傳輸材料的疏水性一致。研究結(jié)果表明，以聯(lián)二萘酚為母核的空穴傳輸材料可以減少輔劑用量，引入剛性較大的側(cè)鏈可以提高空穴傳輸材料的疏水性，這兩種作用可以有效提高電池器件的穩(wěn)定性。（4）研究了還原氧化石墨烯對鈣鈦礦電池光伏性能和穩(wěn)定性的
7、影響。將還原氧化石墨烯摻雜在TiO2漿料中，旋涂法制備摻雜還原氧化石墨烯的TiO2介孔層。電池在正掃條件下，光電轉(zhuǎn)化效率PCE由13.76%提高到16.13%；反掃條件下，PCE由15.78%提高到17.51%。正掃和反掃PCE之差由2.02%降低到1.38%，說明電流滯后效應(yīng)被一定程度地削弱。另一方面，將還原氧化石墨烯添加在空穴傳輸材料spiro-OMeTAD和Au電極之間，制備封裝的鈣鈦礦電池，置于25℃、相對濕度RH40%的環(huán)境中，在持續(xù)光照最大功率點連續(xù)追蹤1400h。當(dāng)器件光電轉(zhuǎn)化效率衰減到50%時，衰減時間由100h延長到540h，器件的光穩(wěn)定
8、性提高了2倍。關(guān)鍵詞：鈣鈦礦太陽能電池，鉛鹵化物，電流滯后效應(yīng)，光
