论文部分内容阅读
光伏发电技术是一种极其有前景的可再生能源利用手段，被视为传统化石能源的有力替代者。硅基以及无机薄膜太阳能电池已经取得了一定的商业化，并小规模的应用于住宅和商用建筑。由于传统太阳能电池器件制备成本昂贵，科研工作者一直致力于对廉价吸光材料以及非真空制备工艺的探索，这也推动了新一代光伏技术的产生。在众多新型光伏技术中，最具发展前景的无疑是钙钛矿太阳能电池(PSCs，perovskite solar cells)。短短几年时间内，PSCs的能量转换效率不断提高，其被美国国家可再生能源实验室认证的效率已达22.1％。除此之外，钙钛矿吸光材料的巨大优势还包括:具有直接带隙特性，高的光吸收能力以及优越的载流子传输性能等。此外，钙钛矿材料的组成成分储量丰富，且绝大多数钙钛矿晶体均可实现低温结晶。 作为高效PSCs的重要组成部分，电子传输层（ETL，electron transporting layer）能有效地吸收和传输钙钛矿光吸收层中产生的光生电子，可通过抑制ETL与钙钛矿界面处的载流子复合现象，从而促进电池填充因子以及最终能量转换效率的提升。目前，氧化钛致密层以及介孔氧化钛支撑层仍是使用最广泛的ETL。然而，因其高温制备工艺、较低的钙钛矿孔隙填充率、较差的光吸收效率、较低的本征电子迁移率及高迟滞效应等诸多不利因素的限制，开发具有新型结构或新物质组成的ETL成为近年来该领域的研究热点。在本论文中，我们设计并制备了四种高效的、具有新型结构或新物质组成的ETL，实现了电池器件光电转换效率的进一步提升。 针对传统介孔氧化钛ETL较低的钙钛矿孔隙填充率以及光吸收效率等问题，本论文第二章中提出了以一种新型多功能类反蛋白石结构氧化钛ETL来取代传统的致密层和支撑层的解决方案。实验结果表明，类反蛋白石结构ETL具有优异的光管理特性，能够增强器件的捕光效率，进而提升其短路电流密度。此外，类反蛋白石结构ETL的底部结构可以有效地抑制载流子的复合，进而提高器件的开路电压。最终，基于类反蛋白石结构ETL的PSCs获得了13.11％的高能量转换效率。这种多功能类反蛋白石结构ETL首次将光子晶体结构引入PSCs中，并将为高性能、低成本PSCs的设计制备提供借鉴意义。 第二章中类反蛋白石结构ETL仍然面临高温处理工艺的限制，本论文第三章通过低温化学浴沉积的方法制备了花状氧化钛ETL，在保证较高的钙钛矿孔隙填充率以及光吸收效率的同时，有效地解决了传统氧化钛ETL的高温制备问题。通过控制反应时间，成功地在导电玻璃基底上生长出均匀的花状氧化钛阵列薄膜。实验结果表明，该花状氧化钛纳米结构可以有效地提高PSCs的光吸收效率，抑制PSCs中载流子的复合行为。最终，基于花状氧化钛ETL的PSCs的最佳能量转换效率可达15.71％，这是低温处理三维结构氧化钛电子传输层PSCs中最高的光电转换效率。此外，基于花状氧化钛电子传输层PSCs的光电转换效率要高于传统介孔氧化钛ETL，且迟滞现象得到明显改善。这种具有高重复性高光电转换效率的低温制备ETL工艺，将有利于PSCs的工业化放大。 第二章以及第三章对传统介孔氧化钛ETL进行了优化设计与制备，本论文第四章针对平面异质结钙钛矿电池中氧化钛致密层低的本征电子迁移率以及高的迟滞效应等问题，首次通过一个简单的两步化学浴沉积方法获得了SnO2/TiO2梯度异质结薄膜，并将其应用于ETL。与单层或者双层ETL相比，梯度异质结ETL由于具有逐渐变化的能级以及弱的能量壁垒，使其具有较高的电子迁移率和复合电阻。因此，梯度异质结ETL可以有效增强电子地注入并限制载流子的复合，使PSCs器件在反向扫描条件下呈现1010.27 mV的高开路电压，0.74的高填充因子以及16.71％的能量转化效率，远高于基于单层TiO2电子传输层器件。随后，进一步优化PSCs的器件组成，可以实现18.08％的最佳能量转化效率。此外，基于梯度异质结电子传输层的PSCs具有高度可重复性及较小的迟滞效应。该多组分无机互渗透网络梯度异质结构ETL在优化各种光电器件中的载流子传输行为上将具有巨大的发展空间。 上述三章工作针对传统ETL材料进行了结构上的优化设计，与此同时，对新型高效电子传输层的探索也是至关重要的。本论文第五章通过低温化学浴沉积法制备了一种结构规整的In2S3纳米片阵列，并将硫化铟材料首次应用于PSCs中的电子传输层。与传统的基于TiO2电子传输层的PSCs相比，In2S3电子传输层能显著增强PSCs的光捕获效率，进而提升了电池的短路电流密度。另外，In2S3与钙钛矿吸光层的能带结构较为匹配，加之电荷复合电阻较高，使得基于In2S3电子传输层PSCs的开路电压进一步提高。最终，基于In2S3电子传输层PSCs的能量转换效率最高可达18.47％，远高于基于TiO2电子传输层PSCs的效率(15.70％)。总之，In2S3电子传输层的全低温制备工艺及相应PSCs高的能量转换效率等优势使其成为传统TiO2电子传输层的有利替代者。此外，该工作也将为研究其他低温处理的过渡金属硫化物在PSCs电子传输材料方面的应用研究提供借鉴。