论文总字数：22181字

摘 要

通过一步水热反应在导电玻璃上生长出了金红石型的TiO₂纳米棒阵列。以此为前驱体，在一定比例的盐酸和水体系中，经过二次水热刻蚀成功制备出了具有陷光结构的TiO₂纳米管，并且用作负载钙钛矿的新型支架材料与电子传输介质。采用FESEM、XRD、UV-vis等表征，对比了未刻蚀的TiO₂纳米棒和刻蚀后的TiO₂纳米管，结果表明，通过刻蚀使得TiO₂晶格结构改变，（101）、（002）晶面比例增强，形貌呈现管状。同时，我们也探讨了管状形貌的形成机理。由于管状结构存在，TiO₂纳米棒的漫反射能力显著增强，进而提高了钙钛矿的光捕获效率。在此基础上，一步法旋涂CH₃NH₃PbI₃-xCl_x钙钛矿沉积在上述的纳米阵列中，组装获得钙钛矿太阳能电池。对比未刻蚀的器件，基于陷光TiO₂纳米棒的器件获得了更高的电流密度20.8 mA/cm²和10.7%的光电转换效率。电池性能的提升主要归因于TiO₂纳米管高效的陷光结构、钙钛矿薄膜形貌的改善以及更长的载流子寿命。

关键词： 陷光TiO₂纳米棒 各向异性刻蚀 钙钛矿太阳能电池

Melting Titanium Dioxide Nanorods Synthesis And its application in perovskite solar cells

ABSTRACT

The rutile type TiO₂ nanorod arrays were grown on the conductive glass by one step hydrothermal reaction. As a precursor, TiO₂ nanotubes with trap structure were successfully prepared by secondary hydrothermal etching in a certain proportion of hydrochloric acid and water system, and a new type of scaffold material for loading perovskite was used for electron transport medium. The results show that the lattice structure of TiO₂ is changed by etching, (101) and (002) crystal by etching with TiO₂ nanorods and etched TiO₂ nanotubes by FESEM, XRD and UV-vis. Surface ratio increased, the appearance of tubular. At the same time, we also explored the formation mechanism of tubular morphology. Due to the presence of tubular structures, the diffuse reflectance of TiO₂ nanorods is significantly enhanced, which improves the light trapping efficiency of perovskite. On this basis, one-step spin-coating of CH₃NH₃PbI₃-xCl_x perovskite was deposited in the above-mentioned nano-array to obtain a perovskite solar cell. Compared to the unpatched device, the device based on the stranded TiO₂ nanorods obtained a higher current density of 20.8 mA / cm² and 10.7% of the photoelectric conversion efficiency. The improvement of the battery performance is mainly due to the high efficiency of the TiO₂ nanotubes, the improvement of the morphology of the perovskite films and the longer carrier lifetime..

Key words: trapped TiO₂ nanorods, anisotropic etching, perovskite solar cells

目 录

摘 要 Ⅰ

ABSTRACT Ⅱ

目 录 Ⅲ

第一章 绪 论 1

1.1 引言 1

1.2 钙钛矿介绍 2

1.2.1 钙钛矿结构 2

1.2.2 钙钛矿材料的性质 3

1.2.3 钙钛矿电池的发展 3

1.3 钙钛矿电池原理 4

1.3.1 钙钛矿电池的电子传输机制 4

1.3.2 钙钛矿太阳能电池的结构 5

1.4 电子传输材料在钙钛矿太阳能电池中的应用 6

1.4.1 电子传输材料 6

1.4.2 一维TiO₂陷光纳米棒 8

1.4.3 钙钛矿太阳能电池的性能评价 9

第二章 实验部分 12

2.1 实验试剂 12

2.2 实验步骤 13

2.2.1 V形陷光TiO₂纳米棒合成 13

2.2.2 CH₃NH₃PbI₃-xCl_x合成 13

2.2.3 空穴传输材料（HTM）的配制 13

2.2.4 CH₃NH₃PbI₃-xCl_x钙钛矿太阳能电池的组装 14

2.3 分析与表征 14

第三章 结果与讨论 15

3.1 刻蚀与未刻蚀的TiO₂纳米棒的形貌图 15

3.2 刻蚀过程（刻蚀浓度6M） 16

3.3 TiO₂纳米棒的XRD 17

3.4 TiO₂纳米棒的漫反射谱图 18

3.5 CH₃NH₃PbI₃-xCl_x施涂 18

3.6 钙钛矿敏化后的TiO₂纳米棒的XRD 19

3.7 钙钛矿敏化后TiO₂纳米棒的光学数据 20

3.8 基于纳米棒阵列钙钛矿电池的J-V测试 21

3.9 效率分布图 23

3.10 电化学阻抗测试和Bobe图 24

第四章 结论 26

参考文献 27

致 谢 30

第一章 绪 论

1.1 引言

随着人类社会的发展，我们所造就的不仅是历史成就和世纪突破，还有对能源资源的过度使用，这就导致了如今能源供不应求的现象空前严重。不合理的开发和使用使得能源危机与环境污染之间的矛盾越演越烈，所以人们急需找到新型清洁能源。太阳能作为生物圈唯一第一能源，集合环保、可再生、能源富足等优点于一身。所以，这是一种很值得深入研究的能源，如果研究成功将是全人类的福音也是另一个能源时代的开启。因此，制备出高效的光电转换装置是现在解决危机的最好的选择。现在的太阳能技术已开始有一定的规模，例如Si太阳能电池。但是其在生产过程中本身就带有大量的污染及能源的损耗，对环境还是会有污染，效率也不够高。所以，人们对于研发出一种高效低价的新型太阳能电池的意愿是十分强烈且有必要的。

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