SnO2电子传输层对（CsPbBr3）钙钛矿太阳能电池性能的影响-毕业论文(知网查重百分比：12.3 ).docx

1、 中国石油大学（北京）现代远程教育毕 业 设 计（论文）SnO电子传输层对（CsPbBr）钙钛矿太阳能电池性能的影响姓 名：学 号：性 别：专 业: 化学工程与工艺批 次：学习中心：指导教师：2022年03月31日中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）SnO电子传输层对（CsPbBr）钙钛矿太阳能电池性能的影响摘 要近几年有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池凭借其优异的光电性能、生产制备成本低以及快速增长的光电转化效率(PCE)迅速成为新一代薄膜太阳能电池中的热潮。以SnO量子点作为电子传输层，以溴化铅（PbBr）作为前驱液，采用旋涂法进行旋涂得到(CsPbBr)钙钛矿层，涂碳制作电池的正

2、负极，最终得到(CsPbBr)钙钛矿太阳能电池。对比研究了搅拌时间为24h、36h、48h、60h的SnO溶液作为电子传输层对（CsPbBr）钙钛矿阳能电池光电性能的影响，利用X射线衍射、紫外-可见吸收、电镜扫描对样品的结构及表面的形貌进行表征，并测试其光电性能，搅拌时间为48h时，PCE平均达到8.24%， 36h平均PCE为6.36%，相比 36h来说提高了1.88%,室温下放置11天后PCE仍保持原来的75.3%，最终得出SnO作为电子传输层时，搅拌时间为48h的（CsPbBr）钙钛矿阳能电池性能最优。关键词：SnO；电子传输层；(CsPbBr)钙钛矿太阳能电池ii目 录第一章 引言1第

3、二章 实验32.1实验方法32.2实验步骤32.3性能测试4第三章 结果与讨论53.1物相结构分析53.2 光电性能分析9第四章 结论16参考文献18致 谢20第一章 引言步入工业社会以后，从大自然中开发与利用能源是人类社会发展的重要环节，随着生产力的不断提高，人类对能源的开采能力增强，不仅仅只是在局限于以往的方式，工业时代的开启，普遍使用燃煤，石油等化石燃料。工业化对化石燃料的依赖性很强，但化石燃料是不可再生能源。同时雾都事件，敲响了人类对自然危害影响的一系列问题的警钟1。燃烧化石燃料虽然方便了我们的日常，但也导致了一系列的环境问题，甚至严重威胁了自然界内生物的可持续发展性，当今社会最重要课

4、题之一是寻求洁净环保、可再生的新型能源。人们本着环保可再生的信念，借助于大自然得天独厚的条件，相继开发并应用了一系列可再生的环保能源，风力发电就是其中一种。就近几年的发展来看，太阳能的发展被推到了一个顶端。作为可再生能源之一，依赖太阳辐射能，经过连续输入就可以直接被取用，对于已经经历了一百多年发展时间的太阳能电池，我们可以知道太阳能电池的性能和转化率都在不断的得到提升。近几年，钙钛矿太阳能电池更是在太阳能电池发展中成为了兴起之星，主要是依赖于其效率提升迅速。在悠长的历史长河中，光伏太阳能电池占了距今170多年的发展历史，按时间轴标注，将其发展大致分为三个阶段：第一代太阳能电池是硅基太阳能电池，

5、指以硅的单晶、多晶及其与非晶硅复合为基础的一类太阳能电池。在以硅为基础的一类太阳能电池中属单晶硅光电转化效率最高，相关的制备的技术最为成熟，应用在大规模的生产中，占领着主导地位，但单晶硅材料昂贵，制成电池的流程又比较复杂。所以人们开始寻求更优的太阳能电池，至此，第二代太阳能电池应运而生。第二代太阳能电池相比较第一代来说就更加的多元化，以硫化镉、砷化镓、碲化镉以及铜铟镓硒为代表的多元化合物薄膜太阳能电池2。相比较第一代来说，制成电池的材料减少了，并且所需要的材料工艺简单、性能更突出、价格也很惠民，最重要的是没有光致衰减问题。人类的发展总是不断向前的，至此第三代太阳能应运而生，第三代电池是新型太阳

6、能电池，以钙钛矿太阳能电池和染料敏化太阳电池为代表3。依据材料不同，太阳能电池还可被分为：化合物薄膜太阳能电池、硅基太阳能电池、钙钛矿太阳能电池和染料敏化太阳电池等。钙钛矿材料普遍具有无机物高迁移率和高吸光系数，具有同时传输电子和空穴的能力、优良的禁带宽度、载流子扩散的距离长、载流子的束缚能小、成本低、容易制膜，相比较其他种类的太阳能电池来说，生产的步骤更加简单，使用的溶剂工程也方便且利于大规模生产，生产的材料可以多途径获取且价格低廉。随着太阳能电池的发展，通常把它分为两种转换类型，一种是以热能的形式的光热转换，另一种是以电池作为传输器件的光电转换。晶体硅是最先发展的太阳能电池，已经有一百多年

7、的历史，它的优点是转化效率比较高、耐用和较早的实现产业化，技术也比较成熟，在生产应用过程中是主流的地位，不过它的缺点是制备过程繁琐并且硅物质的价格比较高，而且容易造成环境污染，所以不适宜在其他领域的应用；随着时代的进程，进入第二代太阳能电池，它是由硫化镉、碲化镉为代表的复合电池，制备此类电池的过程中使用的材料相对较小，性能比上一代好，过程也比上一代简单，没有光衰减问题，但是所需的材料资源储备不足；现今，人们发现更好的第三代太阳能电池，制备时更为简便，所需材料更便宜，因此专家学者们正在努力探索、挖掘它的潜能，提高它的效率以促进产业化发展。本次实验采用多步旋涂法来制备，先在玻璃基底上旋涂SnO作为

8、电子传输层，再旋涂溴化铅，纳米结构的SnO2具有迁移率高、禁带宽度宽、透明度高、光稳定性好等优点，其能量转换效率高于ZnO 基和TiO2基钙钛矿太阳能电池的4。再者SnO量子点水溶液具有制备简单、稳定性好、易分散等特点,由SnO量子点水溶液通过旋涂制备出的SnO薄膜具有很好的光学、电学特性，基于SnO2优良的性能，本实验采取了SnO量子点水溶液，以SnO作为电子传输层探讨不同搅拌时间下对（CsPbBr）钙钛矿太阳能电池性能的影响。第二章 实验2.1实验方法实验采用溶液旋涂法制备（CsPbBr）钙钛矿太阳能电池，通过多步法旋涂溶液制备钙钛矿层的方法称为溶液旋涂法5。本次实验采用多步旋涂法来制备，

9、先在玻璃基底上旋涂SnO作为电子传输层，再旋涂溴化铅，最后多次旋涂溴化铯反应生成钙钛矿层。2.2实验步骤（1）FTO 导电玻璃的刻蚀及清洗将FTO导电玻璃作太阳能电池基底，将其切割为小方块，使用盐酸和锌粉进行简单的刻蚀，之后进行清洗。（2）（CsPbBr）钙钛矿太阳能电池的组装（CsPbBr）钙钛矿太阳能电池的组装可分为: 刻蚀 FTO 导电玻璃、SnO电子传输层的制备、溴化铅前驱体的制备、（CsPbBr）钙钛矿薄膜的制备和（CsPbBr）钙钛矿太阳能电池正负极的制备，详细过程如下：（a）SnO电子传输层的制备：一定量的氯化亚锡和硫脲溶于水溶液，分别搅拌24h、36h、48h和60h后离心，抽

10、滤，最终得到SnO溶液。预热，匀胶机旋涂，再加热一段时间，就得到了具有SnO电子传输层的电池片。（b）PbBr前驱体的制备：一定量的溴化铅和DMF（N-N-二甲基甲酰胺）加热至溶解即可得到溴化铅前驱液。具有SnO电子传输层的电池片和溴化铅前驱液预热，匀胶机旋涂，稍加热即可得到具有溴化铅前驱体电池片6。（c）（CsPbBr）钙钛矿薄膜的制备：适量溴化铯和甲醇于容量瓶中定容，超声以后得到溴化铯溶液。具有溴化铅前驱体的电池片和溴化铯溶液室温下进行旋涂，再加热，重复8遍左右，就得到具有（CsPbBr）钙钛矿薄膜的电池片7。（d）（CsPbBr）钙钛矿太阳能电池正负极的制备：将具有（CsPbBr）钙钛矿

11、薄膜的电池片刮去刻蚀线两端涂层，涂炭，即得到具有正负极的（CsPbBr）钙钛矿太阳能电池，至此完成电池器件的组装。2.3性能测试常规情况下，太阳能电池光电性在光照一定的情况下，用J-V曲线来表征，性能参数可以直观的决定电池性能的好坏，主要性能参数如下：开路电压（Voc）、短路电流密度（Jsc）、填充因子（FF）和能量转换效率（PCE）。（1）短路电流密度（Jsc）指当电池处于短路条件下，电压为 0 时的电流，是电池外电路处于短路状态下J-V曲线上曲线与纵坐标点的交点。此时Jsc就是有效面积与短路电流之比,单位mA.cm-2。其中钙钛矿材料的能带带隙、钙钛矿层对入射光的吸收大小、电池器件的载流子

12、长度以及迁移率都影响了Jsc 的大小8。 （2）开路电压（Voc）指电路状态接通且电流为 0时，外电路电池正极和负极之间的电势差，在 J-V 曲线图中，曲线与横坐标的相交点即 Voc。钙钛矿太阳能电池的钙钛矿材料间带隙与其Voc密切相关，另外电池器件的开路电压也会受钙钛矿层的厚度大小的影响，电子传输层以及空穴传输层之间的界面性质，钙钛矿层受界面接触和质量影响，界面接触良好的可以减少界面复合，同时也有益于载流子的传输，最终获得较大的开路电压。 （3）填充因子（FF）作为太阳能电池器件的重要参数之一，FF能直观地反映太阳能电池器件对外界持续输出功率的能力和光电性能的好坏。受钙钛矿薄膜的质量、颗粒大

13、小和紧密程度的影响，及各层之间的接触好坏和器件的载流子迁移率有关9。（4）太阳能电池的能量转换效率（PCE）指电池最大输出功率（Pmax）与入射光功率（Pin）之间比值：PCE 值能够非常直观的反映出电池器件性能的好坏。第三章 结果与讨论在我们的日常生活中，现代社会的工业化进程加快，诸如能耗，资源不足和环境恶化等问题越来越严重。可是人们又必须依靠能源来生产和生活，所以能源的发展一定程度上也是人类社会的发展。面对传统化石能源资源的有限性与人类生产生活的消耗性相矛盾，还有传统化石能源带来的生态环境的破坏性，众多学者寻找、开发、利用绿色清洁健康的可循环再生的新能源来代替以适应人类发展需求。核能、潮汐

14、能、太阳能等可再生能源可以满足我们对能源需求，减少人们对环境污染的担心，其中太阳能在实际应用中因为更具有普遍性所以越来越受到人们的重视。根据需求，测试了（CsPbBr）钙钛矿太阳能电池的X射线衍射图谱、紫外可见光谱、电镜扫描以及电池的J-V曲线图等。通过对电池片物质结构的分析、光电性能的对比，最终得出搅拌时间为48h的SnO作为电子传输层时，所得（CsPbBr）钙钛矿太阳能电池性能最好。具体分析结果如下：3.1物相结构分析3.1.1电镜扫描(a)(b)(c)(d)图1 （a）、（b）、（c）、（d）是搅拌时间分为24h、36h、48h、60h的（CsPbBr）钙钛矿太阳能电池表面形貌电镜图从图

15、1可以看出：利用扫描电子显微镜观察不同搅拌时间下SnO作电子传输层的（CsPbBr）钙钛矿晶体生长情况，观察到晶型呈现多边形，相比36h的来说，48h的介面空洞更少，更加的平整，颗粒更大而且更加均匀致密，说明48h的减少了晶体缺陷同时减少了晶界，大幅度降低自由载流子的界面复合和缺陷损失，有效地促进（CsPbBr）钙钛矿晶体的生成，对太阳光的利用率更高10。3.1.2 XRD(a)(b) 图2 （a）不同搅拌时间下的SnO薄膜XRD图，（b）（CsPbBr）钙钛矿太阳能电池XRD图从图2 可以看出：扫描角度10到80下所得XRD图是单一物质，其峰位与SnO和CsPbBr都是一一对应的关系，相对应的卡片号SnO（46-1086）、CsPbBr（54-1086）也都是符合的，相比较不纯的物质，其光电性能会更好11。3.1.3 紫外可见 (a) 图3 （a）（CsPbBr）钙钛矿太阳能电池紫外可见透过率曲线从图3可以看出：SnO2量子点均匀的分布在CsPbBr薄膜上界面处的中间能级，增强了对太阳光的收集，也增加了电池的电子提取和减少电荷重组12。作电子传输层时增加了（CsPbBr）钙钛矿