基于稳定空穴传输材料的高效钙钛矿太阳能电池制备与研究开题报告

 2020-02-10 10:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

石油、煤炭和天然气等不可再生能源的过度消费,已经导致日益严重的环境问题。不断开发可再生能源,如风能、生物质能、潮汐能、水能、地热能和太阳能,对于满足当今世界能源消耗增长至关重要。其中,太阳能是最丰富和最容易获得的能源,对太阳能的利用是满足日益增长的全球能源需求最有前景的解决方案。在过去的几十年中,新的光伏器件不断被报道,太阳能电池的效率也不断改善提高。其中,晶硅光伏发电技术已经发展成为一个典型的、关键的供电方式。然而,由于生产成本高,晶硅太阳能电池的大规模使用受限。发展下一代新型太阳能电池已经是大势所趋。

近年来,新型太阳能电池发展迅速,其中尤以钙钛矿太阳能电池(pscs)的光电转换效率提升最为显著,从2009年到2018年的9年时间里,钙钛矿太阳能电池的光电转换效率从3.81%提高到了近23.7%,已经接近目前商业的晶硅太阳能电池的效率。除此之外,钙钛矿太阳能电池还具有结构简单、成本低、可柔性制备等诸多优点。综上所述,钙钛矿太阳能电池由于成本低廉、器件效率提升迅速而成为下一代太阳能电池中的研究热点。但在钙钛矿太阳能电池的实际应用中,遇到了以下困难。聚(3,4-亚乙基二氧基噻吩):聚(苯乙烯磺酸盐)(pedot:pss)可以使用环保溶剂进行溶液法合成,具有大规模加工使用的前景,目前是p-i-n型钙钛矿太阳能电池中最广泛使用的空穴传输层。但是,由于pedot:pss的酸性和亲水性,会导致以pedot:pss为空穴传输层的器件吸水和电极腐蚀,从而引起在空气中稳定性较差的钙钛矿降解。

因此对空穴传输层材料的选择十分重要,moo3是一种广泛使用的空穴传输层(htl)材料,具有无毒、中性与良好的空穴萃取和电子屏蔽性能。此外,moo3可以在高真空下通过热蒸发或溶胶-凝胶法在溶液中合成。维生素c(vc)是一种天然绿色物质,易溶于水,且具有一定的还原性。在moo3的前驱体溶液中加入vc后,vc会将一部分mo(vi)还原为mo(v),形成moox。根据先前m.vasilopoulou与a.m.douvas等人的研究,掺杂氧化钼可以增加费米能级附近的载流子密度,从而进一步提升电荷传输效率。同时,通过调控vc在前驱体溶液中的量也可以改变空穴传输层的表面粗糙程度,使表面更加光滑均匀;提升器件电导率,进一步改善器件光伏性能。

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2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

材料制备:在moo3中加入少量vc,退火后制得moox空穴传输层,同时以pedot:pss作为空穴传输层作为对比样,并用性能优异的空穴传输材料制备出钙钛矿太阳能电池。

材料表征:对moox材料进行形貌结构、电学性能和器件的光伏性能测试。通过对moox膜的电导率、迁移率、功函数和器件的开路电压(voc)、短路电流(jsc)、填充因子(ff)等性能进行电学性能测试,并采用原子力显微镜(afm)、场发射扫描电镜(sem)、紫外-可见吸收光谱(uv-vis)、外量子效率(eqe)、时间分辨光致发光谱(trpl)等技术对其性能进行系统评估与分析。

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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:按照设计方案,学习空穴传输材料的制备以及旋涂工艺,优化空穴传输材料的工艺参数,制备出高效的钙钛矿太阳能电池。

第9-12周:表征空穴传输材料的形貌以及电学性能,测试钙钛矿太阳能电池的能量转换效率以及其他光电性能。

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4. 参考文献(12篇以上)

[1] x. meng, c. h. y. ho, s. xiao, y. bai, t. zhang, c. hu, h. lin, y. yang, s. k. so, s. yang. molecular design enabled reduction of interface trap density affords highly efficient and stable perovskite solar cells with over 83% fill factor [j]. nano energy, 2018, 52, 300.

[2] f. cai, l. yang, y. yan, j. zhang, f. qin, d. liu, y.-b. cheng, y. zhou, t. wang. eliminated hysteresis and stabilized power output over 20% in planar heterojunction perovskite solar cells by compositional and surface modifications to the low-temperature-processed tio2 layer [j]. j. mater. chem. a, 2017, 5, 9402.

[3] j. idígoras, f. j. aparicio, l. contreras-bernal, s. ramos-terrón, m. alcaire, j. r. sánchez-valencia, a. borras, á. barranco, j. a. anta. enhancing moisture and water resistance in perovskite solar cells by encapsulation with ultrathin plasma polymers [j]. acs appl. mater. interfaces, 2018, 10, 11587.

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