无机钙钛矿纳米纤维膜的制备及其光伏性能研究

来源 :浙江理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:shawn200904
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钙钛矿太阳能电池因具备高光电转换效率、溶液加工工艺和低成本而备受关注。钙钛矿材料作为核心,其形貌、结构和性能显著影响电池的性能。然而钙钛矿较差的稳定性和脆性制约钙钛矿太阳能电池的发展和应用。在钙钛矿材料研究过程中发现,无机钙钛矿材料具备相对优异的热稳定性和湿度稳定性。并且,一维材料具备良好的电荷转移性能。理论上,一维无机钙钛矿纳米纤维可以构筑高效稳定的钙钛矿太阳能电池。因此,本文以无机钙钛矿材料CsPbX3(X=Br或I)为基础,通过静电纺丝法制备了无机钙钛矿复合纳米纤维膜。随后,将钙钛矿纳米纤维膜为光吸收层组装钙钛矿太阳能电池。本文的主要内容如下:(1)在空气开放环境中,利用静电纺丝技术,通过简单的一步法制备了CsPbBr3/PVP/PAN纳米纤维膜。研究了静电纺丝溶液中PbBr2与CsBr的摩尔比对静电纺丝纳米纤维膜的结构和性能的影响,研究表明,随着PbBr2/CsBr的摩尔比的增加,CsPbBr3晶体在纳米纤维表面的镶嵌量呈上升趋势。当PbBr2/CsBr的摩尔比3:1时,在纳米纤维表面镶嵌致密的CsPbBr3。但是CsPbBr3分布不均,只存在部分纳米纤维上。当PbBr2/CsBr的摩尔比进一步增加到4:1时,致密的CsPbBr3纳米晶体镶嵌在纳米纤维的表面,而且均匀的存在每一根纳米纤维上。此外,不同摩尔比先制备的钙钛矿纳米纤维膜都具备优越的光吸收性能。由钙钛矿复合纳米纤维膜组装的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率较低,最高光电转换效率仅有1.10%(4:1)。这主要是静电纺丝制备的无机钙钛矿纳米纤维膜中存在的绝缘高聚物PVP和PAN影响了自由电子与自由空穴的传输,其次通过一步法制备的无机钙钛矿复合纳米纤维膜表面镶嵌的CsPbBr3纳米晶体不均匀。尽管如此,通过静电纺丝法制备的一维钙钛矿纳米纤维膜具备良好的柔性,转移方便,且制备过程不受基底限制,可大面积制备等众多优点。(2)采用静电纺丝和旋涂法两步法制备了 CsPbBr3/PVP/PAN复合纳米纤维膜。首先静电纺丝法制备了 PbBr2/PVP/PAN复合纳米纤维膜,之后将CsBr甲醇溶液旋涂在PbBr2/PVP/PAN复合纳米纤维膜上,获得了 CsPbBr3/PVP/PAN复合纳米纤维膜。结果发现,随着PbBr2/PVP/PAN复合纳米纤维膜中PbBr2的含量的增加,复合纳米纤维表面的CsPbBr3镶嵌量增加。当PbBr2浓度增加到2mol/L时,因此,CsPbBr3晶体非常致密的镶嵌在每一根纳米纤维表面。随着PbBr2浓度增加,制备的无机钙钛矿复合纳米纤维膜的吸光性能增加。PL光谱所示,其自由电子和自由空穴的复合率,随着PbBr2浓度增加而降低。由两步法制备的无机钙钛矿复合纳米纤维构筑的钙钛矿太阳能电池获得了 2.00%(3mol/L)的光电转换效率,比一步法制备钙钛矿纳米纤维膜的电池效率略高。(3)在静电纺丝制备PbBr2/PVP/PAN复合纳米纤维膜的基础上,调控了钙钛矿的成分,分别通过溶液浸泡法和溶液旋涂法制备了更窄带隙的CsPbIBr2/PVP/PAN复合纳米纤维膜。结果显示:浸泡法能够让PbBr2/PVP/PAN纳米纤维中的PbBr2充分的与CsI反应形成连续完整全包覆的CsPbIBr2晶体,而溶液旋涂法制备的CsPbIBr2/PVP/PAN纳米纤维与CsI反应不完全形成了分散的颗粒状晶体。此外,溶液浸泡法制备的钙钛矿复合薄膜的吸光性和PL光谱的峰强要优于旋涂法制备的薄膜。并且通过溶液旋涂法制备的CsPbIBr2/PVP/PAN纳米纤维膜构筑的太阳能电池的光电转换效率约1.75%左右,而通过溶液浸泡法制备的纳米纤维膜构筑太阳能电池具有2.83%的光电转换效率。基于CsPbIBr2/PVP/PAN纳米纤维膜构筑的太阳能电池的光电转换效率要略高于CsPbBr3/PVP/PAN复合纳米纤维膜构筑的太阳能电池,这主要是因为CsPbIBr2的带隙更窄,CsPbIBr2复合纳米纤维表面钙钛矿晶体包覆更完整。
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