论文部分内容阅读
随着社会飞速发展,人类逐渐意识到能源危机和环境污染两个主要问题。大量消耗化石能源给当今社会带来严重的环境污染,并引发能源短缺危机,寻找新能源作为化石能源的替代品已是当务之急。太阳能,作为清洁且可持续利用的新型能源,便因此受到了科学家们的广泛关注。在太阳能的利用中,发展较快也较多的是利用光伏效应制成的太阳能电池。自从2009年固态有机-无机杂化钙钛矿材料（CH3NH3Pb X3,X=Cl、Br、I）被报道作为太阳能电池吸光材料以来,作为新一代太阳能电池,钙钛矿太阳能电池（PSCs）已经取得了飞快的进展,其经过认证的光电转换效率（PCE）己经从2009年的3.8%猛增至2020年的25.2%。光电转换效率的大幅度提升,得益于钙钛矿吸光材料的组分调整、新型高效电子/空穴传输层（ETL/HTL）的开发和电池内部的界面结构优化等几个方面的长足进步。如何进一步提升光电转换效率、实现钙钛矿太阳能电池商业化的进一步跨越,仍然存在着科学问题需要解决。本文针对钙钛矿吸光层光谱响应范围及薄膜质量、介孔骨架层及界面接触等科学问题开展优化实验。通过介孔材料合成、结构表征、器件结构设计与组装和光电转换效率评估等手段,研究稀土离子的掺杂及其发光效应的引入对于介孔结构钙钛矿太阳能电池器件光伏性能的影响,进一步研究PSCs内部载流子传输动力学、缺陷钝化与能级结构匹配等科学规律,获得较好的进展,本论文的主要研究工作如下:（1）β-Na YF4:Yb3+/Er3+/Sc3+@Na YF4上转换纳米发光材料在PSC中的应用采用油酸辅助的热分解法合成了尺寸均匀、分散性好的上转换Na YF4:Yb3+/Er3+纳米颗粒（UCNPs）,同时采用Sc3+离子掺杂和同质惰性壳包覆两种策略来进一步增强发光强度和调控发光波段。将其整合到商用TiO2介孔浆料中,制备出具有上转换功能的介孔支架层,进而起到光谱转换的作用,使光伏器件在太阳光谱的可见光及近红外光区域表现出了优良的光谱响应。优化后PSC的PCE值高达20.19%,与搭载传统商用介孔TiO2的PSC相比（17.44%）,PCE提升了15.77%（20.19%对17.44%）,其中上转换（UC）贡献约为11.98%(Sc3+为4.31%,Yb3+和Er3+为7.67%),散射效应贡献约为2.24%。并且在湿度为40%的室温条件下保存400 h后仍保持了最高效率的72%,表现出较好的稳定性和商业化潜力。（2）低温法（150℃）板钛矿TiO2介孔纳米材料在PSC中的应用为减短电池制备周期和降低生产成本,本工作合成出不含有机粘合剂的板钛矿相（brookite）TiO2介孔材料,并在低温下（150℃）成膜,为大面积制备钙钛矿电池以及发展柔性钙钛矿电池提供了基础,同时借助稀土离子Sc3+的掺杂来减少TiO2介孔材料的缺陷态密度及调整其能级结构,优化ETL/钙钛矿界面接触来增强电子注入效率。优化后器件最优PCE达到21.75%,相比平面SnO2 ETL的器件（19.81%）高出10%,与此同时,其紫外光稳定性也得到显著提升,在紫外光照射50 h后仍保持了初始PCE的86.6%,为发展低成本、高效、紫外光稳定的异质结介孔ETL基PSCs提供了新的策略。（3）具有紫外光稳定性自组装SnO2介孔纳米材料在PSC中的应用与TiO2相比,SnO2具有光学透明度高、对紫外光不敏感、电子迁移率高以及能级结构与钙钛矿材料相匹配等特点。本工作通过水热法合成出具有高载流子迁移率、较好抗紫外光能力的纳米团簇自组装SnO2介孔材料,并借助稀土离子（Sc3+、Y3+、La3+）的掺杂来减少SnO2介孔材料的缺陷态密度及调整其能级结构,优化了ETL/钙钛矿界面接触来增强电子注入效率。与SnO2基平面结构PSC的PCE相比（17.21%）,搭载自组装SnO2介孔纳米材料的PSC的PCE提升到19.01%,提升了10.46%。进一步实验数据表明,掺杂3%摩尔比的Ln3+均可提升介孔SnO2电池效率,其中3%-Y3+掺杂可将电池效率优化到20.63%,进一步提升了8.52%。在稳定性测试中,相对于传统TiO2介孔电池,搭载3%-Y3+的介孔SnO2电池不仅表现出良好的抗紫外老化性,而且在湿度为30%的室温条件下经AM1.5G源光照400 h后仍保持了最高效率的75.8%,表现出较好的稳定性和商业化潜力。