高效鈣鈦礦太陽能電池的制備與研究

1、1Preparation and Research of High-Performance Perovskite Solar Cells高效鈣鈦礦太陽能電池的制備與研究2主要內(nèi)容研究內(nèi)容3結(jié)論4研究背景1選題依據(jù)和創(chuàng)新點23染料敏化太陽能電池；聚合物太陽能電池；鈣鈦礦太陽能電池第三代： 有機薄膜太陽能電池第一代：硅太陽能電池第二代： 多元化合物太陽能電池 CIGS, CdTe原材料要求高元素資源短缺生產(chǎn)工藝復雜生產(chǎn)過程耗能材料資源豐富生產(chǎn)工藝簡單生產(chǎn)成本低廉環(huán)境綠色友好理論光電轉(zhuǎn)換效率高化石能源太陽能太陽能電池能源危機環(huán)境污染清潔能源取之不盡光電轉(zhuǎn)換方式靈活1. 研究背景4圖1.1 幾種太陽能

2、電池PCE提升情況1.1 鈣鈦礦太陽能電池效率提升情況電子元件與材料, 2014, 33:7-11.效率提升速度驚人消光系數(shù)高擴散距離長載流子壽命長制作成本低吸收光800 nm，高吸收系數(shù)，幾百納米的薄膜就可以充分吸收整個可見光波段的太陽光。MAPbX3多晶膜中，載流子遷移距離可達1 m，在單晶中則可超過10 m。MAPbX3單晶中由于低的缺陷密度，載流子壽命長達1 s。簡單的液相反應和旋涂法制得，成本低廉制作簡單。1. 研究背景5 1.光電陽極 2. 電子傳輸層 3. 吸光層 4. 空穴傳輸層 5. 對電極透明導電的氧化物 寬帶隙氧化物 鈣鈦礦材料 P型化合物 導電金屬 FTO或ITO Ti

3、O2, SnO2, ZnO AMX3 spiro-OMeTAD Ag, Au組成雙重作用： 透光 導電傳輸電子阻擋空穴吸收太陽光產(chǎn)生光生載流子傳輸空穴阻擋電子導電功能A：有機陽離子，如：CH3NH3+或HC=(NH2)2+M：金屬陽離子，常見的有Pb2+、Sn2+等X：鹵族元素，（Cl、Br、I）Crystengcomm, 2010, 12: 2646-2662.圖1.2 鈣鈦礦太陽能電池結(jié)構(gòu)圖與立方鈣鈦礦晶胞模型1. 研究背景6空穴傳輸層：Spiro-MeOTAD/PEDOT透明光陽極：FTO/ITO金屬電極：Al/Ag/AuAg電極：易與鈣鈦礦材料中的鹵素反應Al電極：易被空氣氧化Au電極

4、：導電性好，不與鹵素反應，不易氧化，但成本高電子傳輸層：TiO2SnS2鈣鈦礦層：MAPbI3 圖2.1 鈣鈦礦太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖2. 選題依據(jù)和創(chuàng)新點通過采用薄金電極成功制備出雙透光太陽能電池，增加了對環(huán)境光的利用，并能降低器件制造成本。采用水熱法在低溫條件下合成SnS2納米片作電子傳輸層，降低了實驗要求，并為其他可以低溫合成的過渡金屬硫化物作為電子傳輸層開辟新的機會。2. 選題依據(jù)和創(chuàng)新點3.1 雙透光鈣鈦礦太陽能電池的制備83.1.1 雙透光 鈣鈦礦太陽能電池制備 9活性區(qū)域圖3.1 鈣鈦礦太陽能電池的制備流程1. FTO導電層的刻蝕2. TiO2致密層/多孔層的制備3. 鈣鈦礦層的制

5、備4. 空穴傳輸層的制備5. 蒸鍍超薄Au電極電池截面示意圖3.1.2 雙透光太陽能電池的結(jié)構(gòu)圖 10圖3.2（a）雙透光鈣鈦礦太陽能電池示意圖（b）電池截面電鏡圖113.1.3 薄金電極的優(yōu)化選擇 圖3.3（a）不同厚度金電極透光率（b）不同厚度金電極方塊電阻（金側(cè)） （c）不同厚度金電極的電池I-V曲線（d）金電極的平面電鏡（插圖為截面 電鏡）可以看出，Au形成了許多分離的金屬島，但是相互分離得Au金屬島不一定表明Au電極品質(zhì)不好，相反，金屬島之間的裂紋能夠允許更多的光透過Au層照射到下面的鈣鈦礦吸光層，這也是超薄Au電極可以透光的原因。3.1.4 電池外量子效率測試12圖3.4（a）電池

6、單面照射I-V曲線（b）電池單面照射EQE曲線 從FTO一側(cè)受光時，電池效率達到10.2%，從背面照光時，電池效率為7.7%。外量子效率測試得到的積分電流分別為17.5 mA/cm2 和14 mA/cm2 與I-V曲線測試結(jié)果一致。3.1.5 反光強度對電池效率的影響13 圖3.5（a）不同反光強度對電池效率的影響（b）不同反光強度對電池的四個重要參數(shù)的影響。反射光強模擬實例30%路面60%冰面90%雪地圖3.6 雙透光鈣鈦礦太陽能電池在不同反射條件對電池性能的影響3.1.6 電池放置角度對效率的影響 通過調(diào)整鈣鈦礦太陽能電池放置的角度，放置角度主要影響電池的短路電流，在角度從0- 45變化時

7、，電池效率逐漸增加，45- 90變化時，電池效率迅速減小，在45放置時效率達到最大。14圖3.7（a）電池放置示意圖（b）不同放置條件下電池的I-V曲線VocVJscmA/cm2FF%PCE%00.980.0317.951.560.610.0610.780.81301.000.0318.812.160.600.0311.310.58451.000.0219.431.760.600.0211.690.56600.980.0417.191.530.620.0310.420.87900.910.028.901.230.630.025.080.733.2 基于SnS2電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池的制備

8、153.2.1 SnS2納米材料的制備過程原料用量SnCl45H2O5 mmolCH3CSNH215 mmolH2O10 mLTable. Reagents and dosage試劑和用量溶劑熱法SnCl45H2O Sn4+ + 4Cl + 5H2O （1）CH3CSNH2 + 2H2O CH3COONH4 + H2S （2）Sn4+ + 2H2S SnS2 + 4H+ （3）Sn4+ + 4H2O Sn(OH)4 + 4H+ （4）Sn(OH)4 SnO2 + 2H2O （5）SnO2 + 2H2S SnS2 + 2H2O （6）A facile, relative green, and i

9、nexpensive synthetic approach toward large-scale production of SnS2 nanoplates for high-performance lithium-ion batteries 17圖3.8 （a）SnS2納米片的表面電鏡圖（b）透射電鏡和高倍透射電鏡（c）001晶面（d）100晶面a圖可見，表面均勻的分布著尺寸約為50-60 nm的納米片。通過放大的透射電鏡圖b圖可以看出這些納米片呈現(xiàn)出六方對稱結(jié)構(gòu)，其厚度約為10 nm，c圖中可知晶格間距為0.59 nm，這對應于SnS2納米片的001平面，d圖中晶格間距為0.32 nm，對

10、應于SnS2納米片的100晶面。3.2.2 掃面和透射電鏡表征5元素重量%原子%O K0.31.09S K37.0467.88Sn L62.6631.02acbdS KSn L 圖3.9 SnS2 的EDS面掃結(jié)果(a)面掃區(qū)域(b)所有元素面掃描(c)S元素面掃描(d)Sn元素面掃描3.2.3 EDS面掃描表征19XPS光譜顯示合成的SnS2納米片由Sn和S元素組成，圖中觀察到的兩個強峰位置分別位于486.2和494.6 eV，這歸因于Sn3d5/2和Sn3d3/2。圖c中高分辨率S2p核級譜顯示的161.1和162.5 eV的結(jié)合能對應于S2p3/2和S 2p1/2。這表明Sn3d和S2p

11、的結(jié)合能光譜符合SnS2的Sn4+和S2-。圖3.10 （a） FTO/SnS2 納米片的XRD衍射圖譜（b）SnS2納米片的XPS光譜（c）和（d）分別為Sn3d和S2p的高分辨的XPS3.2.4 XRD和XPS光譜表征20圖3.11 (a)SnS2薄膜的透射光譜圖和（b）Tauc曲線 圖4.8 (a) SnS2薄膜的紫外光電子能譜圖（b）價帶能譜（c）截止能帶圖 通過UPS測試來獲得相對準確的的能帶位置，結(jié)果如圖所示。通過計算功函為4.89eV（21.22-16.33）。該擴增的價態(tài)光譜示于左側(cè)，顯示為1.58 eV。由此計算SnS2的價帶為6.47 eV。3.2.5 透射和UPS光譜表征

12、21圖3.12 (a)基于SnS2電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池器件的截面電鏡圖（b）鈣鈦礦太陽能電池的能級匹配圖-4.893.2.6 鈣鈦礦器件的截面電鏡和能帶圖22圖3.13 FTO基底上反應不同時間所對應的SnS2納米材料的表面電鏡圖（a）0 h（b）1 h（c）2 h（d）3 h（e）4 h（f）5 h（g）5.5 h（h）6 h（i）7 h3.2.7 反應時間對材料形貌的影響23圖3.14 反應不同的時間生成的SnS2薄膜的截面電鏡圖(a)4 h(b)5 h(c)5.5 h(d)6 h(e)7 h(a)(b)(c)(d)(e)45 nm70 nm80 nm100 nm115 nm(f)

13、3.2.8 反應時間對厚度的影響24圖3.15 （a）以不同反應時間條件下制備的SnS2薄膜組裝的鈣鈦礦太陽能電池J-V曲線（b）SnS2電子傳輸層上涂覆的鈣鈦礦PL光譜（c）和（d）鈣鈦礦太陽能電池的奈奎斯特圖3.2.9 器件效率阻抗測試表征 反應后期效率下降，主要是因為FTO表面上的SnS2納米片厚度過大并開始聚集，從而影響了電子傳輸層表面的均勻度，也不利于電子的傳輸，另一方面，粗糙的表面也會增加器件的電阻，使得電子空穴復合更為嚴重。25圖3.16 （a）最佳電池的J-V曲線（b）外量子效率曲線（c）電流和效率的穩(wěn)定性測試（偏壓設(shè)置0.68 V）（d）20塊鈣鈦礦太陽能電池的效率直方分布圖3.2.10 最優(yōu)器件性能表征80%以上的器件都能夠產(chǎn)生超過11%的光電轉(zhuǎn)化效率，說明器件的重現(xiàn)性良好。4 結(jié)論 采用簡單的低溫溶液法在FTO的表面成功制備出了晶態(tài)的SnS2薄膜，發(fā)現(xiàn)制備出的SnS2納米片結(jié)晶性較好，直徑在50-60 nm之間，厚度在10 nm左右，并以此作為鈣鈦礦太陽能電池的電子傳輸層，并考察了反應時間對納米材