溶液化学法制备硫化物纳米材料用于太阳能电池的研究

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随着世界能源问题日益严峻,太阳能电池得到了广泛的关注,寻求一种绿色、高效率、低成本的太阳能电池成为热点。近些年发展较好的太阳能电池包括聚合物太阳能电池和钙钛矿电池等。聚合物太阳能电池制备工艺简单、成本低、可用于卷对卷大面积制备;钙钛矿电池效率不断攀升,而且成本低,使其成为最具有商业价值的太阳能电池之一。虽然以上两种太阳能电池发展迅猛,但是都存在阻碍他们商业化的缺点:聚合物电池有载流子迁移率低以及电池稳定性差等问题亟待解决;钙钛矿电池材料不稳定以及电池寿命短的问题不容忽视。金属硫化物由于具有合适的能带结构,较高的介电常数以及优异的电子传输性能被广泛地应用到以上两种电池中。真空蒸发法、近空间升华法、分子束外延法等是常用的制备金属硫化物薄膜的方法,但是这些方法对设备或者实验条件要求较高。所以现在硫化物材料所面临的问题是,需要寻求一个成本低、环境友好而且操作简单的制备方法。本文中主要使用热分解黄原酸配合物法和低温溶液法两种溶液法化学,相较于常用的制备方法,热分解黄原酸配合物得到的金属硫化晶体尺寸更小、膜更为致密、成本低、操作简单并且可大面积制备,而低温溶液法制备纳米金属硫化物成本低,绿色易操作。本论文主要通过溶液化学法制备了硫化物纳米材料并将其用于太阳能电池的研究中,对其性能进行了表征与分析。首先,合成了黄原酸镉配合物作为硫化镉薄膜的前驱体,对硫化镉薄膜的形貌、结构、光学特性及物理化学性质进行了测试研究。之后将热分解黄原酸镉配合物制备的硫化镉薄膜用于修饰介孔钙钛矿电池中的致密TiO2层,制备了结构为FTO/c-TiO2/CdS/mp-TiO2/MAPbI3/Spiro-OMe TAD/Au的太阳能电池。通过优化实验条件,对影响器件性能的因素进行了探究与分析,最终得到最高11.26%的光电转化效率。在对比试验中,使用CdS作为唯一致密层薄膜,组成的器件结构为FTO/CdS/mp-TiO2/MAPbI3/Spiro-OMe TAD/Au,最终得到12.83%的光电转化效率。其次,合成了制备Sb2S3薄膜的前驱体:黄原酸锑配合物。对材料的结构、光学特性及物理化学性质进行了测试研究。利用热分解黄原酸配合物法制备出CdS或Sb2S3纳米粒子,并将他们与聚3-己基噻吩:[6,6]-苯基-C61-正丁酸甲酯(P3HT:PC61BM)混合作为活性层进行研究,这种方法很好地实现了硫化物纳米材料与活性层聚合物的有效结合,去除了直接制备硫化物纳米材料需要表面活性剂以及为使制备好的纳米硫化物与活性层更好地混合而使用共溶剂的问题。通过优化器件结构及相关条件,制备出了 ITO/CdS/P3HT:PC61BM:x wt.% CdS/MoO3/Ag 和 ITO/CdS/P3HT:PC61BM:x wt.% Sb2S3/MoO3/Ag的太阳能电池,分析了器件的主要性能及参数,分别得到2.91%和2.92%的最佳光电转换效率。最后,利用低温溶液法使用硫脲和硝酸铋的水溶液作为前驱体材料,改变反应温度制备出不同形貌的硫化铋纳米晶体薄膜。对所得硫化铋薄膜进行表征,研究实验条件对材料性能的影响。并且,对所得到的硫化铋纳米薄膜尝试进行阳离子转化反应制备Bi2S3@Cu2S壳核结构,对转化后的薄膜进行测试与分析。
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