钙钛矿太阳能电池碳背电极的制备

【摘要】：在常规钙钛矿太阳能电池(Perovskite solar cells, PSCs)中,通常使用有机P型半导体提取空穴,并使用蒸镀法制备的Au或Ag薄膜电极进行收集。目前,PSCs普遍使用的有机空穴传输层spiro-MeOTAD不仅价格昂贵而且稳定性较差,Au或Ag作为PSCs的背电极需要高真空设备进行制备,不适合商业化大规模生产。因此,选择优异的背电极材料不仅可以保证电池的性能,还可以提高电池稳定性,从而有利于PSCs未来的大规模生产。本论文围绕降低钙钛矿太阳能电池成本及提高器件的稳定性进行了一系列探索性研究,主要内容是制备适合碳基钙钛矿太阳能电池的背电极,并研究背电极材料、结构、制备方法及热处理对电池性能的影响规律,对其中有关重要发现进行了分析,具体内容如下：(1)使用商业导电炭黑和有机添加剂来制备适合印刷的碳浆,发现制备出的碳背电极具有非常差的导电性,不适合做钙钛矿太阳能电池背电极。研究在导电炭黑中加入大尺寸的针状焦从而提高碳背电极的导电性,光电转换效率为0.53%,并对光电性能进行了分析,发现难以控制的碳背电极较差的界面接触是导致电池性能低下的原因。(2)使用喷涂替代刮涂,电池最高光电转化效率达到3.9%。针对炭黑粒子间接触不良这一问题,使用机械加压增加碳背电极导电性和提高电池性能。研究了复合碳材料制备背电极对电池性能的影响,发现碳纳米管制备成钙钛矿太阳能电池背电极后导电性较差,但将碳纳米管与炭黑复合后,电池的光电转换效率可达到6.57%。(3)研究了用针状焦制备钙钛矿太阳能电池背电极,优化了样品热处理温度,发现1500℃下碳化的针状焦的电阻最小,适合作为钙钛矿太阳能电池的背电极。发现由于水分的存在,在空气中喷涂针状焦容易对钙钛矿层造成破坏。对以针状焦背电极为基础的碳基钙钛矿电池进行了稳定性研究,连续8天的测试表明电池光电转化效率并未下降。(4)研究了热处理对以针状焦背电极为基础的碳基钙钛矿电池性能的影响,发现热处理后电池的光电转换效率可达到8.57%。通过对电池进行一系列的表征,得出的结论是：热处理过程中针状焦可以有效保护钙钛矿层不受外界不良气氛的侵蚀,同时,钙钛矿层在这种保护下自身的结晶性也得到了改善,这也解释了器件热处理后光吸收增强以及电池光电转化效率的提高。这项研究为提高碳基钙钛矿电池的性能提供了新的思路。 【关键词】：钙钛矿太阳能电池 针状焦 碳背电极 低成本 稳定性
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-22
• 1.1 课题的研究背景9-10
• 1.2 钙钛矿太阳能电池(PSCs)10-20
• 1.2.1 基本结构及工作原理11-12
• 1.2.2 各组件的研究现状12-18
• 1.2.3 以碳材料作为钙钛矿太阳能电池背电极的研究现状18-20
• 1.3 课题研究内容及意义20-22
• 2 实验方法22-30
• 2.1 性能参数22-26
• 2.2 试剂和设备26-28
• 2.2.1 实验试剂和材料26-27
• 2.2.2 实验设备27-28
• 2.3 分析测试方法28-30
• 2.3.1 太阳能光谱吸收研究28
• 2.3.2 粉末衍射分析28
• 2.3.3 表面形貌及膜厚表征28
• 2.3.4 导电性及阻抗测试与表征28-30
• 3 碳材料作为背电极在PSCs中的应用30-47
• 3.1 引言30-31
• 3.2 实验部分31-34
• 3.3 结果与讨论34-46
• 3.3.1 常规电池的制备与表征34-38
• 3.3.2 自制碳浆作为PSCs的背电极38
• 3.3.3 炭黑和针状焦复合材料作为PSCs的背电极38-39
• 3.3.4 喷涂炭黑制备PSCs背电极39-41
• 3.3.5 碳背电极加压对碳基PSCs的光电性能影响41-42
• 3.3.6 碳分散液的混合溶剂对光电性能的影响42-43
• 3.3.7 用碳纳米管(CNTs)与炭黑复合制备PSCs的背电极43-46
• 3.4 本章小结46-47
• 4 针状焦作为背电极在PSCs中的应用47-59
• 4.1 引言47
• 4.2 实验部分47-50
• 4.2.1 针状焦作为背电极的制备与电池器件的组装47-48
• 4.2.2 针状焦的表征48-50
• 4.3 针状焦背电极PSCs的光电性能表征50-53
• 4.3.1 空气中制备PSCs的光电性能表征50-51
• 4.3.2 手套箱中制备PSCs的光电性能表征51-52
• 4.3.3 稳定性的表征52-53
• 4.4 结果与讨论53-58
• 4.4.1 热处理对碳基PSCs光电转换效率的影响53-55
• 4.4.2 热处理对钙钛矿层光吸收强度的影响55-56
• 4.4.3 热处理对钙钛矿层物质变化的研究56-58
• 4.5 本章小结58-59
• 结论59-60
• 参考文献60-66
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况66-67
• 致谢67-68

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