等离激元增强的钙钛矿太阳能电池结构构筑及性能研究

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钙钛矿型有机-无机杂化材料CH3NH3PbX3(X=Cl,Br,I)因其高的消光系数、优异的光电激发性能和良好电荷传输能力,在太阳能电池领域中得到飞速的发展。钙钛矿太阳能电池(PSC)的光电转换效率短短几年间从2.2%增长到20.1%,被视为新一代高效低成本的薄膜太阳能电池。太阳能电池性能的快速发展同其结构的不断优化是密不可分的,光吸收层质量对电池的效率至关重要。迄今为止,薄膜太阳能电池中普遍存在的问题是光吸收层较薄,不利于捕获更多的光子。等离激元近场增强效应可以极大的提升光吸收层的光子吸收,从而提高电池的光生电流。因此,本论文设计Ag@TiO2纳米颗粒与钙钛矿复合吸光层,利用Ag纳米颗粒的等离激元效应,显著提升了电池光电转换效率。主要研究结果如下:  本论文首先采用溶胶凝胶法制备优质的TiO2电子传输致密层,系统分析了溶胶陈化时间(0h,2h,4h,6h和8h)对电子传输致密层及电池性能的影响。研究显示,陈化时间为4h的TiO2致密层的表面粗糙度最大,致密性最好。当应用于钙钛矿电池中时,致密层的表面状态对电池的影响主要体现在:a.大的表面粗糙度使钙钛矿膜的吸收增强,b.界面处的注入效率提升;c.高的致密性减少了界面处的载流子复合,所以使用陈化时间4h致密层的电池的效率最高达到15.66%,相对于0h电池提高50%,是8h电池的近三倍。实验结果证明了致密层以及其与钙钛矿层的界面状态在电池中的重要作用。  其次,本文通过多元醇还原的方法合成Ag@TiO2纳米颗粒的等离激元共振吸收峰在420nm左右,将其嵌入在钙钛矿膜中利用其近场增强吸收的效果提高了电池的性能,特别是短路电流。Ag@TiO2纳米颗粒加入量为0.03M的电池的最高效率可达到17.30%,平均效率16.02%比参照电池的13.40%提高了20%。钙钛矿膜增强的吸收当然是最直接的原因,但单色光转换效率在全吸收谱段均有提升与吸收增强在短波段不完全相符。在电池的光电转换和载流子运动过程中,首先Ag@TiO2纳米颗粒的加入使光吸收增强,随之激子产生率增强,而激子分离效率没有明显变化,产生的载流子在钙钛矿中传输性有所下降,界面处注入效率增强,之后的传输和收集应无明显变化,在过程中电荷的复合也减少。所以Ag@TiO2电池短路电流它的提高,短波段主要归因于等离激元的增强吸收,长波段主要归因于Ag@TiO2纳米颗粒的加入是界面注入效率提升,复合减少。
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