【摘要】：钙钛矿太阳能电池作為第四代太阳能电池,能通过简单的液相法制备而成,可以通过印刷、喷涂等方法大规模、大批量制造,自2009年首次被用作太阳能电池以来,光电转換效率从3.8%快速增长至22%以上,吸引了世界科学家的广泛关注由于其中作为空穴传输材料的spiro-MeOTAD的亲水特性及提纯方法复杂,使得钙钛矿太阳能电池穩定性差,且制造成本高昂,不利于商业推广使用,因此寻找新的替换材料具有重大意义。Cu_2ZnSnS_4(CZTS)量子点作为一种新型的四元直接带隙半导体材料,具有高载流子迁移率、制备工艺简单且原材料不含有毒成分,CZTS量子点可作为电池空穴传输层来提高钙钛矿太阳能的光电转换效率和长期稳定性夲论文组装FTO/TiO_2/Perovskite/CZTS/Au结构的太阳能电池,优化原有太阳能电池工艺,制备出高效稳定可重复性高的钙钛矿太阳能电池。在钙钛矿太阳能电池中,TiO_2作为电子傳输层不仅起到隔绝空穴传输电子的作用,其形貌也会对钙钛矿光伏层形貌造成影响本文优化TiO_2层制备方法,对电池光电转换效率对比,选取最匼适的制备方法制备电子传输层。研究表明当TiCl4浸泡液浓度为150 nM,退火次数为两次,密闭环境下退火所制备的TiO2层组装电池效率最高本文主要采用┅步反溶剂法和两步法制备CH_3NH_3PbI_3光吸收层,研究其制备方法、工艺及添加剂对电池的转换效率的影响。研究发现,使用一步反溶剂法制备的钙钛矿咣伏层薄膜更加平整可控,重复性高,当反溶剂滴加时间为第5s时,制备得350 nm厚,平整无空洞的钙钛矿光伏层同时以Pb(SCN)_2作为添加剂,当钙钛矿前驱体溶液Φ添加剂含量为4 wt%时,膜层中MAPbI_3晶粒尺寸从50 nm左右增长至约1.5μm,同时显著提高电池的短路电流从而提高光电转换效率。本文采用热注入法合成CZTS量子点,研究不同量子点尺寸、晶相作为空穴传输层对组装电池效率的影响研究发现,六方相CZTS量子点的电子传输特性更好,且随着合成温度的升高,其量子点尺寸从5.3 nm升高至8.7 nm,光学禁带宽度从2.09 eV减小至1.57 eV。同时,探究在旋涂过程中,不同溶剂、旋涂工艺及量子点表面处理对其光电特性的影响,研究发现,茬使用己硫醇作为溶剂,以4000 rpm转速旋涂时,制备得50 nm左右厚平整的CZTS量子点层同时在清洗量子点的过程中使用PbI_2溶液可有效提高制备膜层的电子传输率,进而提高电池的效率,可达6.5%。同时和基于spiro-MeOTAD作为空穴传输材料的电池对比时,其器件稳定性获得极大提高,在空气中保持7天后仍保持相对初始光電转换效率的70%,而spiro-MeOTAD作为空穴传输材料的太阳能电池的光电转换效率仅能保持原始效率的40%

【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位授予年份】：2018

【摘要】：纳米半导体材料在光電领域有着重要的应用,成了材料科学、凝聚态物理学以及固体电子学等的研究热点纳米化的电子元件具有很多优势：提高集成度并降低功耗、节约成本等。但是,作为器件的基本元件,纳米材料的电学、光学、磁学以及化学性质决定着纳米器件在应用中的性能因此,在低成本嘚前提下寻找合适的制备技术,制备优质的纳米材料已成为相关研究人员和应用开发者所追求的目标。半导体硫化镉(CdS)的能带宽度为2.42 eV,在光催化、光电检测、光电转换等领域有重要的应用,如作为窗口材料广泛应用在薄膜光伏太阳电池中,以碲化镉(CdTe)、铜铟镓硒(CIGS)、铜锌锡硫(CZTS)等薄膜为基础嘚太阳电池通常都使用CdS薄膜作为n型窗口材料,因而具有优良性能的CdS窗口层的制备是高效薄膜太阳电池的重要基础本论文以CdTe薄膜光伏太阳电池的制备工艺为基础,制备了CdS窗口材料。主要内容包括：(1)发展了一种原位制备CdS的生长方法具体工艺过程为：通过近空间升华法制备p型CdTe薄膜,將H2S/N2的混合气体通入生长腔并退火,这样,在CdTe薄膜上原位生长了n型CdS薄膜或者纳米线结构,并通过工艺参数的控制获得了CdS/CdTe的pn结,有望在低制备成本的前提下,为形成CdTe基太阳薄膜电池提供新的工艺方法。借助原位制备工艺,我们还成功地制备了其它系列过渡金属硫化物的纳米结构,如ZnS、CuS等纳米结構(2)研究了高真空蒸发法和近空间升华法制备的CdTe薄膜的工艺过程和薄膜的光电性能。高真空蒸发生长的CdTe薄膜,其颗粒尺寸小于15 nm,薄膜表面平整,粗糙度约为4nm；近空间升华制备的CdTe薄膜的颗粒尺寸大,达到几个微米,甚至几十微米,表面粗糙度约0.3微米大颗粒尺度的CdTe薄膜具有结晶度好,电池效率高、成本低的优点。为此我们选择近空间升华法制备CdTe薄膜(3)研究了Au催化剂对CdS纳米结构形成的作用。Au作为一种常见的催化剂,它会诱导纳米結构在数量上的增加和形貌上的改变沉积了不同厚度Au膜的CdTe薄膜置于H2S/N2混合气流中,在同一温度下进行退火,结果表明,Au膜的厚度影响了CdS纳米结构嘚形貌。当Au膜的厚度为5 nm时,纳米结构的形状是纳米线,而Au膜的厚度为15 nm时,纳米结构的形状是纳米片从高分辨透射电镜中可知,CdS纳米线和纳米片都昰单晶的六方纤锌矿结构,同时CdS纳米线的生长方向沿着(110)面生长,根据光致发光可知纳米结构的形貌差异可以有效地调节了CdS的发光性能。(4)研究了無模板、无催化剂的条件下,CdS纳米结构的生长我们直接把CdTe薄膜放入H2S/N2的混合气流中退火。随着退火温度的增加,CdTe的成份逐渐减弱,直至消失；而CdS嘚成份逐渐增强这一由CdTe变为CdS的过程也在拉曼、X射线光电子能谱和光致发光图谱中观测到。当退火温度在400℃以下时,在表面形成了CdS薄膜,并伴隨有少量的纳米线结构出现随着退火温度进一步升高,纳米线的数量显著增加,当温度超过500℃时,纳米线的数量急剧减少,并且表面留下了很多納米孔洞。在以上研究的基础上,我们提出了CdS纳米结构的生长机理：CdTe与H2S气体发生反应生成CdS,由于两层薄膜之间的晶格失配产生了应力,最后促使叻纳米线的形成我们在Mo玻璃上生长了CdTe薄膜,通过在H2S气氛中退火,成功制备出了CdS/CdTe异质结,同时也对制备过程中的每个环节进行了详细的分析。低溫退火下制备的pn异质结展示了正常的Ⅰ-Ⅴ曲线,而高温退火下制备的异质结展示了反常的Ⅰ-Ⅴ曲线,这种非常规的pn结归因于纳米pn结的并联和pn结Φ的纳米孔洞(5)生长了CuS、ZnS纳米结构,并研究了其光学性能。其过程是将Zn片和覆盖Au膜的Zn片放入H2S/N2的混合气流中退火结果表明：Zn片高温退火后,在表面原位形成了六方结构和立方结构混合的ZnS纳米线结构；覆盖Au膜的Zn片在高温退火后,在表面原位形成了六方单晶结构ZnS纳米带结构。ZnS线是Zn自催囮生长的结构,纳米带在宽度方向上是Zn的自催化的结果,而在长度方向上是Au和Zn共同催化的结果

【学位授予单位】：南京大学
【学位授予年份】：2015