钙钛矿型有机铅卤化合物材料制备及其光电性能研究

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钙钛矿型有机铅卤化合物材料因其载流子迁移率高、禁带宽度可调控以及可低温溶液合成等优点,是制备低成本、高效率太阳能电池的理想材料。目前,吸收层为钙钛矿型材料的平板太阳能电池存在着贵金属对电极材料价格昂贵以及一步旋涂法难于获得致密薄膜等问题,制约了其商业化应用。本文采用蒸发溶剂法和研磨煅烧法制备了性能优异的钙钛矿型有机铅碘化合物(CH3NH3PbI3),探究了一步旋涂法制备致密的CH3NH3PbI3薄膜的最优条件。同时,采用一步旋涂法制备出具有纯相结构的钙钛矿型混合卤素化合物(CH3NH3PbI3-xClx)薄膜,并组装了平板太阳能电池。进而在钙钛矿型材料的平板太阳能电池的基础上,组装了钙钛矿型材料的纤维状太阳能电池。首先通过控制CH3NH3PbI3前驱体溶液浓度,旋涂转速以及基底预热温度等条件,采用一步旋涂法制备出致密的CH3NH3PbI3薄膜。薄膜呈树枝状,厚度约为750 nm,光吸收性能优异。带隙值为1.53 eV,波长在400~800 nm范围内,光吸收率在85%以上,是太阳能电池理想的光吸收层材料。进一步组装CNTs/P3HT/CH3NH3PbI3二氧化钛/FTO结构的平板太阳能电池。在标准光源(AM1.5,100 mW·cm-2)下,太阳能电池的开路电压为0.5 V,短路电流密度为0.97 mA·cm-2,填充因子为0.213,能量转换率为O.104%。其次为进一步提高钙钛矿型材料的性能,本文用Cl元素部分取代CH3NH3PbI3中的Ⅰ元素。在制备出CH3NH3PbI3致密薄膜的最优条件下制备CH3NH3PbI3-xClx薄膜,控制钙钛矿前驱体溶液中PbCl2和CH3NH3I的比例(1:2,1:3和1:4),并分别组装CNTs/P3HT/CH3NH3PbI3-xClx/TiO2/FTO结构的平板太阳能电池。研究表明,在标准光源下,当PbCl2与CH3NH3I的比例为1:3时,电池的能量转换效率为0.528%,与CH3NH3PbI3平板太阳能电池相比,效率提高了3.8倍。最后设计并组装CNTs/P3HT/CH3NH3PbI3及CH3NH3PbI3-xClx/二氧化钛/Ti结构的纤维状太阳能电池,采用排列整齐的Ti02纳米管作为电子传输层,碳纳米管薄膜作为对电极。当Ti02纳米管管径约为70 nm,长度约为3.455μm时,在标准光源下,CH3NH3PbI3纤维太阳能电池的能量转换效率为0.751%;当PbCl2与CH3NH3I的比例为1:3时,CH3NH3PbI3-xClx纤维太阳能电池的能量转换效率为2.04%。与钙钛矿型平板太阳能电池相比,纤维状电池能够获得更高的能量转换效率。
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