摘要
能源是现代社会飞速发展的重要推动力。目前仍然主要依靠传统化石能源作为人类赖以生存的基础保障，随着科技不断地进步和发展，日益加重的能源负担不可避免的带来了化石能源枯竭、环境污染严重等问题。为了实现人与自然的共存，尽快响应国家“碳达峰”“碳中和”的政策，迫切需要开发可替代化石燃料的清洁能源。太阳能因其不受储量和地理位置的限制、节能环保等优点已被广泛应用。以光伏效应为基础的发电技术是太阳能的典型应用之一，光伏电池已从第一代传统的硅基太阳能电池发展到目前第三代新型光伏器件。钙钛矿太阳能电池作为新型器件的领头羊，近年来受到了大量科研工作者的关注。该器件制备工艺简单且最高光电转化效率已达25.7%，超过传统硅基太阳能电池。但是，目前制约其发展的主要问题之一是器件内部界面电荷转移及其稳定性。本论文主要研究介观型钙钛矿太阳能电池，二氧化钛（TiO2）作为电子传输材料，与光活性层（钙钛矿）之间能否有效进行电荷传输是影响电池性能的重要因素。因此，本论文对TiO2进行表面修饰或稀土掺杂，考察其结构晶型、表面缺陷及能级的变化对TiO2/钙钛矿膜界面电子传输以及钙钛矿膜晶型生长的影响规律，进而对电池性能和稳定性进行调控。具体工作内容及结论如下： （1）分别采用两步法和反溶剂法制备PSCs的光活性层并对其光电转化效率进行测试，通过重复性实验表明反溶剂法更加有利于制备高质量的钙钛矿薄膜，有助于提高钙钛矿太阳能电池的光电转化效率（PCE）。 （2）采用一步水热法自主合成纯四方相锐钛矿TiO2纳米颗粒，以此作为钙钛矿太阳能电池中的电子传输层（ETL），并与商业TiO2Dyesol-18-NRT进行对比。实验结果表明，自主合成的TiO2作为介孔层时器件的光电转化效率可达15.24%，但是相较于商业化的TiO2（16.68%），其效率还有一定差距，这主要是由于自主合成的TiO2表面缺陷的存在导致其与钙钛矿层形成的界面处电荷转移和传输能力低下。 （3）基于以上问题，本论文对自主合成TiO2进行表面处理，以期钝化TiO2晶面缺陷，改善TiO2/钙钛矿膜界面电荷转移和TiO2内部电子传输。在水热法制备TiO2过程中首先添加适量的醋酸，并使用一定浓度的硫酸水溶液对得到的纳米颗粒进行二次水热。制备得到的多酸修饰TiO2与未修饰样品相比，{101}晶面暴露比例增大，并在表面引入-SO3-1基团，表面缺陷被有效钝化。修饰后TiO2作为钙钛矿太阳能电池的ETL，可有效促进介孔TiO2/钙钛矿膜界面处的电荷传输能力，降低电子-空穴复合几率，同时可优化钙钛矿膜的晶型生长条件。最终使得钙钛矿太阳能电池的光电转化效率由15.24%提高到20.27%，改善了电池的迟滞效应，提高了器件的稳定性和重复性。 （4）采用溶剂热法对锐钛矿相TiO2进行掺杂，制备得到钕掺杂的TiO2纳米颗粒（Nd-TiO2）,并以此作为钙钛矿太阳能电池中的ETL，以期改善界面处电荷转移能力。实验结果表明，钕掺杂TiO2可减小光活性层与ETL之间的能级差，更加有利于界面电荷转移，使得器件开路电压由1.02V提高到1.13V。同时掺杂后降低了TiO2本身的缺陷态密度，使得电子迁移率由0.92×10-8cm2·ν-1·s-1提高到2.52×10-8cm2·ν-1·s-1。，最终效率可达20.95%，而且有效改善了钙钛矿太阳能电池的稳定性。
NETL