PbI2和PbS纳米片的制备及在太阳能电池中的应用

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20世纪以来,随着工业现代化程度的提高,石油、煤炭等不可再生能源的储备量大大减少,能源危机一直是一个全球性的难题[1]。另一方面,随着传统化石能源的快速消耗,环境污染问题日趋严重,因此开发一种符合人类需求的环境友好型可再生新能源迫在眉睫。其中,太阳能电池是利用太阳能资源的重要途径,其制备方法得到了世界各国研究者们的广泛研究。目前研究最广泛的是量子点敏化太阳能电池和钙钛矿太阳能电池。纳米材料因其优异的性能被广泛应用于这两种类型的太阳能电池中。十多年来,研究人员成功合成了一维(1D)和二维(2D)纳米结构材料,如纳米棒、纳米线、纳米片等。近年来,纳米材料以其较高的结晶度和清晰的化学成分引起了人们的广泛关注。在这些二维纳米材料中,PbI2纳米片和PbS纳米片被研究者广泛研究。本文总共包括两个内容,首先是PbI2纳米片的制备及其在钙钛矿太阳能电池中的应用,其次是PbS纳米片的制备及其在量子点太阳能电池中的应用。在第一个研究中,采用电化学沉积法制备表面均匀且较为致密的PbO2薄膜,随后经过HI酸乙醇溶液处理得到PbI2薄膜,通过XRD表征证明了PbI2的存在,通过SEM形貌表征证明了改变电沉积电流参数以及浸泡HI酸乙醇溶液的不同可以调控PbI2纳米片的尺寸大小、厚度以及形貌,生成的PbI2纳米片几乎全部规则垂直于FTO表面插入,纳米片尺寸在500 nm左右,分布较为均匀,厚度明显增加。最后通过将浸泡CsBr甲醇溶液的实验工艺改进为旋涂工艺,用DMF的CsBr甲醇混合溶液对PbI2薄膜进行旋涂。随着实验工艺的不断优化,通过SEM形貌表征证明了DMF的加入促进了钙钛矿膜的形成,形成的钙钛矿CsPbI2-xBr1+x膜比未加DMF制备的钙钛矿薄膜更致密,晶粒尺寸增大。将组装好的全无机钙钛矿CsPbI2-xBr1+x太阳能电池通过IV和IPCE进行测试,结果表明,电池的短路光电流和开路光电压得到了明显的改善。当旋涂1.0 V%DMF的CsBr甲醇混合溶液4次时,光电转换效率优化为6.87%,开路光电压为1.03 V,短路光电流为16.5 mA cm-2,填充因子为40.4%。本实验首次基于电沉积PbO2薄膜,制备了全无机CsPbI2-xBr1+x钙钛矿太阳能电池,为大面积全无机钙钛矿太阳能电池的制备提供了可能的方法。在第二个研究中,通过连续离子吸附(SILAR)法将PbS纳米片和PbS量子点共沉积在碳纳米管(CNTs)薄膜上。通过SEM形貌表征不仅说明了在CNTs薄膜上能够形成规则的PbS纳米片,还可以看出CNTs与粘结剂的比例、制备工艺参数、以及酸化后的CNTs的p H值可以有效地调节PbS纳米片的尺寸、厚度和形貌,制备的PbS纳米片形状规则,分布较为均匀。采用PbS纳米片-量子点共修饰的CNTs薄膜作为对电极,组装成CdS-CdSe量子点敏化太阳电池中进行EIS、Tafel曲线和PCE测试,测试结果表明,PbS纳米片的生成提高了对电极的电催化活性,降低了对电极/电解液界面电子转移电阻。当酸化CNTs的pH值为5时,所组装的太阳能电池的开路光电压为0.55 V,短路光电流为12.84 mA cm-2,填充因子为59.9%,光电转换效率为4.25%,相对于基于铅片的PbS对电极的电池光电转换效率提高了将近60%。
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