钙钛矿太阳能电池的制备及载流子复合机理研究

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1、摘要摘要太阳能作为一种清洁、无污染、可再生的能源成为世界各国争相研究的热点。2009年钙钛矿太阳能电池的出现为解决能源危机带来了曙光。钙钛矿太阳能电池的独特优点有：可调节的禁带宽度，较高的光吸收，易于制备，较长的载流子扩散长度，二维电导特性等等。电池的转换效率最初只有3.8%，如今其效率已经超过22%，可见其发展潜力巨大。钙钛矿电池中，TiO2以其独特的优势成为使用最广泛的电子传输层材料，但是材料本身亦存在很多缺陷。这些缺陷会显著影响电池的性能，而在TiO2中掺杂合适的金属离子可以减少材料缺陷，有效地提高TiO2的电子传输能力。本论文以一

2、个全新的视角去探究Fe3+掺杂对TiO2电子传输层的影响及在钙钛矿太阳能电池中的应用。论文简要回顾了钙钛矿太阳能电池的发展历史及前景，重点围绕Fe3+掺杂TiO2致密层钙钛矿太阳能电池的制备及掺杂后器件载流子复合机理研究。论述了掺杂Fe3+之后对TiO3+2电子传输层微观结构、光学及电学特性的影响，进而对Fe掺杂钙钛矿太阳能电池的性能及载流子复合机理展开研究。论文主要开展的工作如下：（1）在TiO3+3+2溶液中掺杂Fe获得不同摩尔比的Fe-TiO2溶液，进而采用喷雾热解法制备Fe3+掺杂的TiO2致密层薄膜。通过XRD、XPS、SEM、

3、缺陷填充电压、紫外-可见光吸收图等对比不同溶度下的TiO2薄膜特性，结果显示1mol%铁掺杂的TiO2薄膜有最高的电导率和最小的缺陷填充电压，这是由于掺杂铁可以减少TiO2薄膜中的氧空位缺陷、提高电子的传输能力。（2）采用优化的一步法溶液法制备铁掺杂的完整钙钛矿太阳能电池，通过SEM、紫外-可见光吸收、J-V曲线等观察钙钛矿薄膜的结晶情况、光学及电学特性，实验得出基于1mol%Fe3+-TiO2致密层的电池有最高的转换效率(18.60%)、开路电压(1.10V)、短路电流密度(23.77mA/cm2)和填充因子(71.01%)，即Fe掺杂

4、TiO2致密层可以有效地提高电池的性能和对载流子的传输能力。（3）较高的载流子复合率对电池的效率和性能有很大的影响，实验中通过对电池的暗电流、阻抗谱、EQE、理想因子等测试来研究电池的载流子复合机理，探究有效抑制钙钛矿太阳能电池载流子复合的方法。关键词：钙钛矿太阳能电池，TiO2，铁掺杂，电子传输层，载流子复合机理IABSTRACTABSTRACTAsaclean,pollution-freeandrenewableenergysource,solarenergyhasgrownuptobeahottopicintheworld.Thee

5、mergenceofperovskitesolarcellsin2009broughtabrightfuturetoaddresstheenergycrisis.Perovskitematerialhasmanyuniqueadvantages,suchasadjustablebandgap,higherlightabsorption,easeoffabrication,longercarrierdiffusionlength,two-dimensionalconductivitycharacteristicandsoon.Thepowe

6、rconversionefficiencyofthecellwasonly3.8%atthebeginning.Nowitsefficiencyhasexceeded22%,whichshowsthatthedevelopmentpotentialofperovskiteishuge.Inperovskitesolarcells,TiO2isthemostwidelyusedelectrontransportlayermaterialbecauseofitsuniquebenefits.However,thematerialitselfa

7、lsohasmanydefects.Andthesedefectscansignificantlyaffecttheperformanceofthecell.ResearchshowsthatdopingtheappropriatemetalionsinTiO2canreducethematerialdefectsandeffectivelyimprovetheelectrontransportcapacityofTiO2.Therefore,thispaperexplorestheinfluenceofFe3+dopingonTiO2e

8、lectrontransportlayerfromanewperspectiveandalsostudiesontheapplicationofFe3+dopinginperovskiteso