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替代性掺杂聚合物空穴传输材料实现高效稳定钙钛矿太阳能电池开题报告

 2020-02-10 10:02  

1. 研究目的与意义(文献综述)

人类的科技水平不断上升,工业也因此得到快速发展,目前人类主要依靠的是石油、天然气、煤炭等化石能源,这些化石能源不仅不能再生,而且在使用时还会造成空气污染、温室效应等环境问题。所以,寻找另一种可再生而且清洁的能源是人类亟待解决的问题。

太阳能清洁无污染,并且来源广泛,所以其在可再生能源中优势十分大。但是,目前的最大难题是如何做到合理高效的利用太阳能。限制太阳能的利用的一个关键因素就是太阳能电池发展缓慢。目前的太阳能电池的发展历程可以分为三代:第一代的晶体硅太阳能电池,第二代的无机薄膜太阳能电池和第三代的有机太阳能电池。较早实现产业化的单晶硅太阳能电池具有寿命长,光吸收波长范围大,光电转换效率高等特点,但是其昂贵的价格限制了其产业化发展。第二代无机薄膜太阳能电池虽然有着使用寿命长,光电转化效率高等诸多优点从而得到充分发展,但是也都存在原料稀缺、制备过程中存在高温处理步骤等缺点,无法大规模的产业化生产。第三代太阳能电池是有机太阳能电池,具有成本低、能耗低、制备简单、利于大面积制备等优点,从而受到各国科学家的广泛关注。有机太阳能电池分为四类,分别是聚合物太阳能电池,有机小分子太阳能电池,染料敏化太阳能电池和钙钛矿太阳能电池。其中钙钛矿太阳能电池在最近几年得到飞速发展。2012年,一位韩国科学家hui-seon kim合成了一种新型固态的空穴传输层材料spiro-ometad。将这种新型的固态空穴传输材料加入到钙钛矿太阳能电池中,使得稳定性大幅度提升,达到了500小时。在此之后,加入了介孔材料(三氧化二铝,二氧化锆)的钙钛矿太阳能电池效率可以达到9%。m. gratzel课题组在2013年用两步法制备出甲胺铅碘薄膜做成电池器件后效率得到大幅度的提升,高达14.1%。zhou等人在2014年修饰了钙钛矿薄膜的界面,使其平整致密,经过修饰的钙钛矿太阳能电池效率能够高达到19.3%。在2017年,韩国科学家优化两步法工艺,将电池效率提高到22.7%。短短几年内钙钛矿太阳能电池的飞速发展证明了钙钛矿材料是一种十分具有研究和应用前景的材料。

钙钛矿太阳能电池作为低成本、可印刷新型光伏技术,吸引了众多关注,尤其是其光电转换效率已经达到23.3%,略高于多晶硅太阳能电池。然而由于钙钛矿太阳能电池的组成包括多种有机无机半导体材料,这些有机物无机物会被自然环境中的光,水,氧等逐渐分解直至破坏,导致其稳定性极差。尤其是目前大家广泛应用的空穴传输小分子材料: spiro-ometad,耐热性极差,易与空气环境发生反应。因此,发展和应用新型的稳定的空穴传输材料显得极为重要。最近,已有很多文献报道采用一种有机聚合物空穴传输材料ptaa能够获得非常好的稳定性,在一个太阳光下连续工作1000小时其效率衰减不超过10%。然而,ptaa由于其较低的空穴迁移率导致钙钛矿太阳能电池效率还相对较低。因此,选择一种合适的掺杂方式来提高ptaa的迁移率的同时,又不影响钙钛矿的稳定性,是目前的研究热点。

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2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

由于钙钛矿太阳能电池的组成包括多种有机无机半导体材料,这些有机物无机物会被自然环境中的光,水,氧等逐渐分解直至破坏,导致其稳定性极差。尤其是广泛应用的空穴传输小分子材料: spiro-ometad,耐热性极差,易与空气环境发生反应。因此,发展和应用新型的稳定的空穴传输材料显得极为重要。最近,已有很多文献报道采用一种有机聚合物空穴传输材料ptaa能够获得非常好的稳定性,在一个太阳光下连续工作1000小时其效率衰减不超过10%。然而,ptaa由于其较低的空穴迁移率导致钙钛矿太阳能电池效率还相对较低。因此,选择一种合适的掺杂方式来提高ptaa的迁移率的同时,又不影响钙钛矿的稳定性,是本课题的基本内容。

1.2 2.2 研究目标

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3. 研究计划与安排

第1-3周:查阅相关文献资料,完成英文翻译。明确研究内容,了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案,并完成开题报告。

第4-8周:按照实验方案制备不同掺杂剂掺杂的ptaa薄膜,并制备出钙钛矿太阳能电池。

第8-12周:采用iv、eqe、uv-vis、xrd、fe-sem、cv等测试技术对电池薄膜的显微结构、光电性能进行测试,并着重表征其稳定性。

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4. 参考文献(12篇以上)

1. bu, t. et al. synergic interfaceoptimization with green solvent engineering in mixed perovskite solar cells.adv. energy mater.7, 1700576 (2017).

2. bu, t. et al. a novel quadruple-cationabsorber for universal hysteresis elimination for high efficiency and stableperovskite solar cells. energy environ. sci.10, 2509-2515 (2017).

3. luo, j.et al. toward high-efficiency,hysteresis-less, stable perovskite solar cells: unusual doping of ahole-transporting material using a fluorine-containing hydrophobic lewis acid.energy amp; environmental science11, 2035-2045 (2018).

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