p型及pn疊層介觀太陽能電池中染料、空穴傳輸材料及界面研究.pdf

1、介觀太陽能電池（Mesoscopic solar cells，MSCs）是指使用具有高比表面積的介孔半導體納米晶作為電荷收集材料，染料或有機-無機雜化鈣鈦礦等作為光捕獲材料，利用介觀光活性界面實現高效光電轉換功能的一種光伏器件，介孔納米晶/光捕獲材料界面對 MSCs的光電性能起決定性作用。這類電池制備工藝簡單、原材料來源廣且價格低廉，一直被視為第三代太陽能電池中最具應用前景的光電轉換技術之一。MSCs最早由染料敏化太陽能電池（Dye-s

2、ensitized solar cells，DSSCs）發展而來，最近興起的鈣鈦礦太陽能電池（Perovskite solar cells，PVSCs）由DSSCs發展而來，有機-無機雜化鈣鈦礦材料獨特的光電性能使得PVSCs發展迅速。目前DSSCs最高光電轉換效率已達到13.0％，而PVSCs的公證效率高達21.0%。
　　傳統MSCs一般基于介孔n型半導體納米晶/光捕獲材料敏化電極作為工作電極，即n型MSCs。而以p型半導體納

3、米晶/光捕獲材料敏化電極為工作電極的p型MSCs，有望通過光譜匹配和n型MSCs組合構成pn疊層MSCs。pn疊層MSCs因能夠突破傳統n型MSCs的理論效率限制而極具發展前景。由于目前pn疊層MSCs的發展受制于p型MSCs的發展，因而發展高效pn疊層MSCs首先需要發展p型MSCs。
　　p型MSCs中 p型半導體納米晶/光捕獲材料界面對p型MSCs光電性能起決定性作用。針對這界面，本論文設計合成了一系列應用于p型DSSCs的

4、有機染料，合成了應用于pn疊層PVSCs的p型半導體納米材料，開發了基于碳對電極的新型pn疊層PVSCs，系統研究了p型半導體/光捕獲材料界面特性及其對器件光伏性能的影響，為高效、低成本MSCs的發展提供依據。本文主要開展了以下研究工作：
　　以帶錨基的二苯胺作為電子給體，苝酰胺作為電子受體，9,9-二己基芴作為鏈接基團，順序引入3,4-乙烯二氧噻吩和噻吩延長分子共軛體系，調節染料能級，合成了三種p型有機染料zzx-op1、zzx

5、-op2和zzx-op3，制備了p型DSSCs。研究結果表明隨著共軛體系的延長，染料吸收光譜逐漸紅移，而器件光電轉換效率依次下降，分別為0.184、0.160、0.153%。針對這一現象，利用光學及電化學手段研究了p型半導體/染料界面空穴注入驅動力對器件性能的影響，確定了合適的空穴注入驅動力。其中，具有～0.8 eV空穴注入驅動力的zzx-op1空穴注入效率最高，光電轉效率最高；
　　在zzx-op1的基礎上，依次分別引入了一個、

6、兩個9,9-二己基芴作為鏈接基團，設計合成了兩種p型有機染料：zzx-op1-2和zzx-op1-3，制備了p型DSSCs。改變染浴配比，研究了染料結構及自組裝特性對p型半導體/染料界面電荷復合特性及器件性能的影響。光物理及電化學測試結果表明zzx-op1-2不僅能夠形成致密的染料分子層抑制電解質與半導體納米晶中空穴之間的電荷復合，而且能夠抑制還原態染料與半導體納米晶中空穴之間的電荷復合?；趜zx-op1-2的p型DSSCs獲得了0.

7、35%的光電轉換效率，實現了同時期7.57 mA/cm2的短路電流密度的世界紀錄；
　　受 pn疊層 DSSCs的啟發，在具有二氧化鈦/二氧化鋯/碳(鈣鈦礦)（TiO2/ZrO2/carbon(perovskite)）結構的無空穴傳輸材料型PVSCs基礎上，將介孔ZrO2替換為介孔氧化鎳（NiO）制備具有p/n結構的PVSCs。光物理及電化學測試結果表明，相對于絕緣材料ZrO2，p型半導體NiO作為空穴傳輸材料能夠有效收集空穴、阻

8、擋電子、抑制電荷復合，同時提升對電極界面的電荷收集特性。具有TiO2/NiO/carbon(perovskite)結構的p/n型PVSCs實現了11.4%的光電轉換效率；
　　在TiO2/NiO/carbon(perovskite)結構PVSCs基礎上，在介孔TiO2層與介孔NiO層之間增加一層介孔ZrO2，制備了具有p/i/n結構的PVSCs。電化學測試結果表明介孔ZrO2層的引入避免了介孔TiO2層與介孔NiO層直接接觸造成的

9、界面復合，有效提升了器件的電荷收集特性。具有TiO2/ZrO2/NiO/carbon(perovskite)結構的p/i/n型PVSCs實現了14.5%的光電轉換效率；
　　以高結晶度的介觀 NiO納米片作為空穴傳輸材料制備 TiO2/ZrO2/NiO/carbon(perovskite)結構PVSCs。光物理及電化學測試結果表明，高結晶度NiO納米片具有良好的電荷收集特性，而且NiO納米片層具有更大的孔隙，有利于鈣鈦礦材料的填充