表面等离激元效应增强钙钛矿太阳能电池光电性能研究

来源 :河南大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zuoshuqiong
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近年来,有机无机卤化钙钛矿太阳能电池的光电转换效率(PCE)已经从2009年的3.8%提升至现在的23.25%。在钙钛矿太阳能电池中,光生电子和空穴到达光阳极和光阴极时被收集,但是在扩散过程中存在着一定的复合,为了减少复合过程的产生,其吸收层的厚度经常被设计在400 nm以内来改善载流子的收集,而这个吸收层的厚度会造成入射光不能被充分吸收,造成电池的光电转换效率不高。因此,有效增强光吸收并且获得高的PCE是一个很大的挑战。目前,在太阳能电池中增加光吸收的方法有很多,比如利用光子晶体、等离子纳米颗粒和涂抗反射膜等。其中,利用等离子纳米颗粒的表面等离激元效应产生的局域电场来增强电池对入射光的吸收作用比较有效。目前在钙钛矿太阳能电池中,主要是将等离子纳米颗粒掺入吸收层或空穴传输层体相中来利用其表面等离激元效应,但是由于光生载流子的扩散长度较小以及为了保持等离激元的间距,使得等离子纳米颗粒的掺入浓度较大,这样会增加光生电子与空穴的复合几率。我们提出,将等离子纳米颗粒引入吸收层与空穴传输层界面处(perovskite/HTL)时不仅有利于载流子的快速分离,且较低浓度的等离子纳米颗粒就能保证等离激元的间距,减小高浓度下载流子复合的发生几率。主要的工作分为以下三个部分:(1)Au NRs@SiO2界面修饰对有机钙钛矿太阳能电池的影响研究:我们将合成好的具有棒状形貌的金纳米颗粒(Au NRs),并在颗粒表面包覆一层绝缘的二氧化硅(Au NRs@SiO2),掺入电池的perovskite/HTL界面处,探索其能够提升电池性能的最佳浓度为0.09 wt%。得出壳层SiO2的主要作用是,抑制金棒表面容易引起的电子与空穴的复合。组装有机([(FAI)0.81(PbI20.85(MAPbBr30.15])钙钛矿太阳能电池,通过对其性能测试,得到了17.39%的最高光电转化效率,而我们未处理电池的效率为14.39%。为了探究Au NRs@SiO2影响电池性能的内在因素,我们对其进行了光学及电学性能的表征和分析。通过对其紫外可见吸收图谱的分析,我们得出Au NRs@SiO2能够增强电池对入射光的吸收。再通过对其荧光图谱分析及计算,得出合适浓度的Au NRs@SiO2在不影响电池载流子复合的情况下,还能够增强载流子的分离能力。此部分实验结果证明,不同于先前报道的将Au NPs掺入体相中,我们提供了一个更加有效的方法提升钙钛矿太阳能电池的性能。(2)Au-Ag NSs@SiO2界面修饰对无机钙钛矿太阳能电池的影响研究:在上一个工作中,我们得出将Au NRs@SiO2掺入电池perovskite/HTL界面处,可以利用其SPR增强有机钙钛矿太阳能电池的光吸收作用及载流子分离能力。由于有机钙钛矿材料的不稳定性,使得钙钛矿材料往无机方向发展更有前景;目前文献报道的无机钙钛矿材料(CsPbBrI2)具有较好热稳定性的优点,所以我们选用CsPbBrI2作吸收层材料制备无机钙钛矿太阳能电池。但是无机CsPbBrI2钙钛矿太阳能电池通过一步法制备的吸收层薄膜存在结晶性较差、厚度较薄、对光的吸收作用较差及光电流密度较低等缺点,我们通过在前驱体溶剂中引入DMSO以及反溶剂氯苯来增加吸收层薄膜的厚度以及结晶性。我们得出,前驱体溶剂中DMSO的引入可以增加溶液的浓度以及吸收层薄膜的厚度;反溶剂氯苯的使用可以增加晶体的成核速率,从增而加薄膜的结晶性。相对于Au来说,Ag具有较强的表面等离激元效应,且棒状的形貌也有限;我们合成具有尖端形貌的梭形双金属(Au-Ag NSs@SiO2)纳米颗粒并将其掺入电池的perovskite/HTL界面处,进一步探究等离子纳米颗粒的表面等离激元效应对无机CsPbBrI2钙钛矿太阳能电池的影响。我们得出,将浓度为0.03 wt%的Au-Ag NSs@SiO2掺入优化后的无机CsPbBrI2钙钛矿太阳能电池中测得了可以和目前国际最高光电转化效率相比的10.15%,相对于未处理的电池,电池的电流密度及开路电压都得到很大提升。(3)Au@CZTS空穴传输层材料对全无机钙钛矿太阳能电池的影响研究:通过以上两个实验的探索,表明等离激元效应对于增强钙钛矿太阳能电池对入射光的吸收和电荷分离具有很好的作用。为了开发全无机钙钛矿太阳能电池,区别于传统的空穴传输载体,我们致力于合成具有电荷传输和光散射作用双功能的无机空穴传输材料。在无机空穴传输层材料中,Cu2ZnSnS4(CZTS)量子点具有与钙钛矿材料能级匹配较好和较高的载流子迁移率等优点适用于钙钛矿太阳能电池的制备,我们在此基础上合成具有增强电池光学性能和电学性能的核壳结构的Au@CZTS空穴传输层材料。通过旋涂法将合成好的Au@CZTS空穴传输材料沉积在无机CsPbBrI2钙钛矿吸收层薄膜上边,所测全无机钙钛矿太阳能电池的光电转换效率为6.82%,而以CZTS作空穴传输材料的电池光电转换效率仅为5.63%。
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