離子摻雜對鈣鈦礦材料帶隙的調控和電池光伏性能的影響.pdf

1、眾所周知，太陽能是一種取之不盡用之不竭的可再生清潔能源。太陽能電池則是利用太陽能以光生伏特效應為原理，將太陽能轉換成電能的裝置。目前太陽能電池的發(fā)展已經(jīng)進入了第三代，其中比較熱門的為鈣鈦礦太陽能電池。鈣鈦礦太陽能電池是以具有鈣鈦礦結構的有機-無機金屬鹵化物（簡稱：鈣鈦礦）材料作為核心光吸收、光電轉換、光生載流子輸運材料的太陽能電池。鈣鈦礦薄膜材料的禁帶寬度在1.48~2.3eV范圍內可調，吸收系數(shù)超過104cm-1，使其只需在幾百納米厚

2、度的情況下就能實現(xiàn)對800nm以下太陽光的充分吸收。同時相比于其它種類太陽能電池，鈣鈦礦太陽能電池可采用全溶液法制備，大大降低了成本，因而鈣鈦礦太陽能電池具有很好的應用前景。
　　鈣鈦礦結構統(tǒng)一用分子式 ABX3表示。在眾多鈣鈦礦材料中，最常使用的為CH3NH3PbI3，其中CH3NH3+代表A，Pb2+代表B，鹵族元素I-代表X。但由于目前最常用的鈣鈦礦材料的不穩(wěn)定性，阻礙了鈣鈦礦電池的商業(yè)化進展。故本論文主要從鈣鈦礦材料結構的

3、穩(wěn)定性上入手，研究了采用其他元素來取代或部分取代最常用鈣鈦礦材料中A和X位的離子來制備穩(wěn)定性較高的新型鈣鈦礦結構的電池。A除了采用最常用材料結構中的CH3NH3+以外，還可以為 HC(NH2)2+，Cs+等。本論文采用 HC(NH2)2+部分取代CH3NH3+來獲得晶格能更高、結構更緊湊的鈣鈦礦薄膜材料。同時還制備了摻雜金屬陽離子來增加鈣鈦礦薄膜的覆蓋度。改變X位離子通過鹵族元素Cl或Br來部分取代X位的I，以期消除鈣鈦礦薄膜表面存在的

4、未參與配位的碘離子。在獲得高致密性、高覆蓋度和高穩(wěn)定性鈣鈦礦薄膜的基礎上，制備鈣鈦礦太陽能電池。同時本論文通過各種表征手段來研究改變鈣鈦礦結構后制備的鈣鈦礦薄膜及相應的鈣鈦礦電池的光伏性能，如X射線衍射(XRD)、紫外-可見光吸收(Abs)、掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線光電子能譜(XPS)、I-V、外量子效率(EQE)等特性測試。主要獲得了如下結果：
　　首先制備了合成鈣鈦礦薄膜的前體材料 CH3NH3X（X=Cl、Br、I）

5、(簡稱 MAX)和HC(NH2)2I(簡稱FAI)，并進行XRD測試。測量結果表明，制備的前體材料MAX粉末和FAI粉末為純相無雜質。
　　其次通過組份工程，取代或部分取代A和X位的離子，制備了不同結構穩(wěn)定的鈣鈦礦薄膜。(1)改變X位離子：分別制備了純I，I中摻Cl，I、Cl中摻Br三種不同結構的鈣鈦礦薄膜；(2)改變A位離子：在摻Cl鈣鈦礦薄膜的基礎上摻金屬離子Al3+和用FA+部分取代MA+的鈣鈦礦薄膜。并且通過XRD、Abs

6、和SEM測試來表征制備出的不同結構的鈣鈦礦薄膜，測試結果表明，通過改變鈣鈦礦結構中A和X位的離子，能夠有效調控鈣鈦礦薄膜的結構、組份和形貌，相應的光伏性能，包括遲滯效應、光電流、電池轉換效率都有明顯的提升。
　　最后，將制備的不同結構的鈣鈦礦薄膜制備成相應的鈣鈦礦電池。并在最優(yōu)的鈣鈦礦薄膜即采用液相一步法制備的I中摻Cl鈣鈦礦薄膜的基礎上，通過調整電池制備中的各種工藝參數(shù)，來優(yōu)化電池轉換效率，最終得到光電轉換效率為13.6％的鈣鈦