溶液法制备SnO2薄膜对钙钛矿太阳能电池的性能影响开题报告

 2020-02-10 11:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

随着社会的发展,传统能源产生的资源短缺和环境污染等问题日境突出,开发清洁可再生能源成为当今世界的一个重要问题。太阳能作为当今世界最大可再生能源不可避免的成为重要的研究方向。而近年来由于钛矿型太阳能电池低成本、易制造和高光电转换效率而被认为是最具潜力的光伏技术。在不到10年的时间里,电光转换效率从3.8%大幅增长到22.7%。设备的稳定性也从秒提高到了千小时,钙钛矿型太阳能电池的最高光电转换效率超过22%。

目前关于钙钛太阳能电池电子传输层的研究主要集中于有机导电材料如富勒烯及其衍生物和无机金属氧化物如二氧化钛、二氧化锡等,但是由于用紫外光照射TiO2器件时,器件中的氧气可以被吸收,钙钛矿材料就会被分解;此外,器件的电子迁移率很低,使得TiO2薄膜的结构分布不均匀,进而影响其光催化活性,所以我们对于新的电子传输层的研究是十分必要的。在对二氧化锡薄膜作为电子传输层的研究过程中,我国半导体研究所的祁江、王浩林、杨晓雷教授在2016年利用低温溶液处理的二氧化锡纳米颗粒作为钙钛矿型太阳能电池的电子传输层,他们几乎获得接近20%的光电转换效率,这也表明了在没有介孔结构的情况下获得高质量钙钛矿型太阳能电池的可能性,我们可以通过钙钛矿薄膜的生长或钙钛矿表面的进一步钝化,可以进一步提高平面结构的电化学性能。2018年我国中科院半导体研究所的祁江教授、张兴旺教授利用二氧化锡薄膜作为电子传输层在光电转换效率达到了21.6%,十分接近介孔结构了。这些结果表明,SnO2是钙钛矿太阳能电池极好的电子输运材料。今后需要做更多的工作来精细控制SnO2电子传输层,包括薄膜质量、缺陷和表面状态,从而减少界面复合和能量损失,提高其电荷转移效率。目标是使得SnO2基器件的效率和稳定性可与高温介孔结构器件相媲美。二氧化锡作为当代替代二氧化钛的最佳的材料,我们利用二氧化锡薄膜的制备工艺进行测试来推断最佳的制备工艺,这是由于二氧化锡的性能高度依赖于加工方法和条件。一些加工方法或条件可以在几乎没有缺陷的情况下获得高质量的SnO2薄膜。而一些制备工艺如高温烧结可以使薄膜产生明显的针孔和陷阱。由于严重的界面重组和电荷屏障,这些将导致较差的器件性能。这就是我们研究不同制备工艺的目的与意义。

2. 研究的基本内容与方案

研究的基本内容:我们通过不同的制备工艺来制备不同结构的二氧化锡薄膜,即一是高温烧制得到的二氧化锡薄膜,二是通过合成二氧化锡纳米颗粒得到的二氧化锡薄膜,三是通过溶胶-凝胶的方法得到非晶态的二氧化锡薄膜。然后对三种不同的二氧化锡薄膜进行性能表征,通过测量三种制备工艺对于钙钛太阳能电池的光电性能的影响,最终我们得到较好的二氧化锡薄膜的制备工艺。

目标:通过实验分析不同制备工艺得到的二氧化锡薄膜的区别,测试不同的工艺制备的二氧化锡薄膜对钙钛太阳能电池光电性能的影响,最终得到较好的制备工艺。

拟采用的技术方案及措施:对于三种不同制备二氧化锡薄膜的工艺,在高温烧制提高结晶度时,我们的退火温度要到400°c,从而得到高温烧制的二氧化锡薄膜。对于纳米颗粒制作过程中,我们以以乙醇为溶剂,热处理sncl4·5h2o和四甲基氢氧化铵(tmah)制备了sno2纳米晶,所得纳米晶可以分散在异丙基溶液中,这使得在c60上旋涂sno2纳米颗粒作为双层电子传输层用于反转结构成为可能。对于非晶态二氧化锡薄膜,我们利用溶胶-凝胶的方法制作,用180°c退火烧制,然后用紫外线照射15分钟左右。在测量时我们利用电子显微镜、x射线衍射来表征二氧化锡薄膜的形貌和结晶情况,通过测量单色光光电转换效率和吸收光谱来体现其对于钙钛太阳能电池性能的影响,我们也可以通过光致发光光谱来进行带隙检测,杂质等级和缺陷检测,最终得到我们的目标。

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3. 研究计划与安排

第1-3周:查阅相关文献资料,明确研究内容,确定方案,完成开题报告;

第4-8周:进一步完善研究目标,学习并掌握sno2薄膜的溶液制备方法及性能表征方法;

第9-12周:设计合理实验,探究不同制备工艺对sno2薄膜和基于sno2的钙钛矿太阳能电池的影响,并进行合理解释;

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4. 参考文献(12篇以上)

[1]qi jiang,xingwang zhang,and jingbi you.sno2:a wonderful electron transport layer for perovskite solar cells[j].small,2018,14:1801154.

[2]qi jiang,jingbi you.enhanced electron extraction using sno2 for high-efficiency planar-structure hc(nh2)2pbi3-based perovskite solar cells[j].2016,2:16177.

[3]q.jiang,l.zhang,h.wang,x.yang,j.meng,h.liu,z.yin,j.wu,x.zhang,j.you.nature energy[j].2016,2,16177.

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