二氧化锡电子传输层的制备与光电性能研究.docx

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1、目录1 .绪论11.1 太阳能电池研究背景11.2 钙钛矿太阳能电池11.3 钙钛矿太阳能电池工作原理22 .二氧化锡的性质及应用22.1 二氧化锡的基本性质22.2 二氧化锡晶体结构22.3 二氧化锡的电学性质32.4 二氧化锡的光学性质32.5 二氧化锡电子传输层33 .实验及分析方法43.1 实验材料与试剂43.2 配制溶液43.3 旋涂法53.4 X射线衍射53.5 紫外-可见光分析53.6 光伏效应测试64 .薄膜的制备及研究64.1 仪器介绍64.2 实验步骤64.3 薄膜的特性分析75 .结论105.1 主要结论105.2 不足与可取之处116 .参考文献11二氧化锡电子传输层的

2、制备与光电性能研究摘 要：电子传输层是钙钛矿电池重要的组成部分。本文提出了一种SnCh量子点的制备方法。采用二氧化锡代替传统的二氧化钛，来提高电子传输层的性能。用SnC52H2O作为锡源，通过溶液法制备均匀分散的SnCh胶体系统，再用旋涂法结合低温处理制备SnO2电子传输层。通过XRD、紫外-可见光分析及光伏效应测试对其性质进行表征。实验中电子传输层的制备采用的旋涂速率是3000 r/min,退火温度为180 ,退火时间为lh。测量钙钛矿电池在正向条件下的JV曲线,得出不同掺水比例下电子传输层制备的钙钛矿太阳能电池的开路电压，短路电压，填充因子和能量转化效率。关键词：钙钛矿太阳能电池；电子传输

3、层；二氧化锡；溶液法；旋涂法分类号：0469Preparation and Study on the Photoelectric Properties of SnChElectron Transport LayerAbstract： Electron transport layer is an important part of perovskite solar cells- In this paper,we proposed a preparation method of SnCh nanocrystals. SnCh is used instead oftraditional TiO? t

4、o improve the performance of electron transport layer. The maincontents of this paper are as follows: SnCh-2H2O is used as tin source, SnCh colloidsystem is prepared by solution method, and SnCh electron transport layer is preparedby spin-coating method combined with low temperature treatment. Its p

5、roperties wereanalyzed by XRD, UV-Vis analysis and photovoltaic effects measurement etc. Thespin-coating rate is 3000 r/min, the annealing temperature is 180 and the annealingtime is 1 h for the preparation of SnCh electron transport layer. The J-V curves ofperovskite solar cells under positive scan

6、ning conditions were measured. The opencircuit voltage, short circuit voltage, filling factor and energy conversion efficiency ofthe perovskite solar cell prepared by electron transport layer were calculated.Keywords: perovskite solar cell; electron transport layer; SnCh; solution method,spin-coatin

7、g method湖北师范大学物理与电子科学学院2018届学士学位论文二氧化锡电子传输层的制备与光电性能研究1 .绪论1.1 太阳能电池研究背景经济的快速发展加快了现代化建设，使能源的需求大大增加，导致能源紧缺。同时,以往的化石类燃料不可再生已被淘汰，同时带来了较为严峻的环境污染。而在全世界倡导可持续发展的今天，只有可再生能源才能满足未来世界的需要，因此对可再生能源的研究成为很多课题的共同目标，此时太阳能无可厚非成为转换电能的最佳来源。太阳能有诸多优点，它可再生且污染近乎为零同时不受到地区的限制。因此，为了使能源问题得到尽快解决，运用太阳能电池将太阳能转化为电能是其中重大研究项目之一。而太阳能电

8、池的发展到现在已超过两百年，至此已经进步到钙钛矿太阳能电池，钙钛矿太阳能电池拥有简单的工艺，同时拥有更高的转换效率，已成为学者们关注的焦点。众所周知，对于半导体材料来说，太阳能电池的原理就是光生伏特效应。太阳能转化为电能的关键之一也是光生伏特效应，而其中的空穴-电子对的形成依赖于太阳光照在P-N结上，此时电子从P区向N区流动，空穴从N区向P区流动，即形成电流口。1.2 钙钛矿太阳能电池自 2010 年后，organometal trihalide perovskites （OTPs）（有机金属三卤化物钙钛矿材料）慢慢领导了太阳能电池的材料。此时OTPs材料的独有性质凸显出来，优点如下:（1）在

9、太阳光吸收材料中，钙钛矿材料的光吸收系数与其他无机薄膜的光伏吸收层相比较大；（2） OTPs材料采用溶液法和气相沉积法制备时易于结晶；（3） OTPs材料拥有较长的载流子扩散长度和较高的电子空穴迁移率。钙钛矿太阳能电池是由正负电极和光活性层组成的典型三明治结构。在ETL （电子传输层）和HTL （空穴传输层）两个界面之间有一个钙钛矿吸收层。当入射光射入钙钛矿层时，吸收层能够通过电子传输层或者空穴传输层的传输路径将载流子传输到FTO导电玻璃和空穴传输材料中。而正是这些与吸收层的化学反应和扩散系数密切相关，因此电极材料的选择对钙钛矿太阳能电池的效率起着非常关键的作用。湖北师范大学物理与电子科学学院

10、2018届学士学位论文1.3 钙钛矿太阳能电池工作原理在钙钛矿太阳能电池中，正置平面结构应该算是最直观的结构，但是，这种结构对钙钛矿薄膜的致密性要求较高。图1.钙钛矿太阳能电池基本原理图下面简略地介绍一下钙钛矿太阳能电池工作的物理过程：钙钛矿太阳能电池吸收光子之后产生激子，而激子可以分离成电子与空穴，电子传输层使电子通过到达阳极，而空穴传输层可使空穴通过从而顺利到达阴极。将钙钛矿材料应用在太阳能电池中可以发挥着重要的作用，其中的自由电子和空穴可以得到有效的传输。而自由电子和自由空穴最终会被对应的电极收集，便可以形成光电压和光电流。2 .二氧化锡的性质及应用2.1 二氧化锡的基本性质在自然界中，

11、锡的主要矿物源是SnO2o随着科学技术的进步和人类的探究，二氧化锡这种材料渐渐走入了大家的视野，从而越来越多的性质和用途被人们发现。二氧化锡不仅可作为催化剂，而且在半导体领域中也发挥着重要作用。2. 2二氧化锡晶体结构在自然界中，二氧化锡为白色无定型粉末，密度为7.01 g/cn?,熔点U27 C,导电系数0.29 J/(Scm.K),溶点为1127 。四方晶系是SMh在自然界的一种结构,而另一种结构是正交晶系。四方晶系结构是我们最熟知的二氧化锡单晶，其结构具有四方对称性。在晶胞中，排布结构是每个锡原子与六个氧原子相邻，而在其原胞内部，参考图2,锡原子在(0,0,0)和(1/2, 1/2, 1

12、/2)上和氧原子在(u, u,0)和(l/2+u, l/2-u, 1/2),其中u=0.307o而多晶SnCh薄膜可以达到材料密度的80 %到90%。图2.二氧化锡晶胞结构2.3 二氧化锡的电学性质在SnO2纳米颗粒薄膜中有晶格缺陷，锡的间隙离子和其中的氧空位可以让SnO2有导电性。在常温下，SnCh因光学带隙在3.6 eV到4.9 eV之间具有很大的电阻值。大量的实验表明，SnCh在常温下具有n型导电性质且为简并半导体。在SnCh中锡和氧两个元素外层电子结构分别为5s25P2和2s22P4用。也就是说，二氧化锡薄膜是因为晶格中的氧空位而表现出n型半导体性质。因为这些特性，使SnCh在薄膜太阳

13、能电池中有广泛的应用前景。2.4 二氧化锡的光学性质可见光的平均光子能量为3.1 eV, SnCh的光学带隙大于可见光的平均光子能量，如果想要在可见光范围内引起本征激发的话是不可能的，因此二氧化锡在可见光下是透明的，其透射率十分可观。而在紫外区，二氧化锡的反射率很高。因此，二氧化锡此刻的作用凸显，非常适合用作新型太阳能电池的电子传输材料。2.5 二氧化锡电子传输层近十年来，关于PSCs的电子传输层，TiCh与ZnO占了大多数。而分析了二氧化锡的各项性质之后，认为SnCh相比于TiCh和ZnO, SnCh具有更宽的禁带宽度和更快的电子迁移率。同时，表现出在紫外光下比前两者更加稳定的性质。为了降低

14、能耗，使用旋涂法形成SnCh纳米颗粒薄膜，则需要达到180 0c的退火温度才能获得晶化的二氧化锡电子传输层。利用这样的方法，对降低能耗实现大规模生产有实质性的帮助。11 4图3.SnO2电子传输层n-i-p型钙钛矿太阳能电池结构示意图3.实验及分析方法3.1实验材料与试剂此次实验用到的试剂均未经过进一步的处理，且都为分析纯。所用到的试剂和材料如下：表1.实验中所用材料与试剂材料与试剂材料与试剂厂家氟掺杂氧化锡导电玻璃（FTO）奥匹维特新能源科技有限公司载玻片盐城市弘达医学器材有限公司无水乙醇（C2H60）天津市北联精细化学品开发有限公司丙酮(CH3coeH3)天津市北联精细化学品开发有限公司乙

15、二醇甲醛（C3H8。2）天津市北联精细化学品开发有限公司二水氯化亚锡（SnC52H2O）天津市北联精细化学品开发有限公司3. 2配制溶液在做好清洁、称量和超声等步骤后，在搅拌的情况下，将SnCbHzO在乙二醇甲醛中进行溶解，使其成为0.1 mol/L的溶液。接着将溶液等分成五份后，每份加入不同比例的去离子水，配成五份不同体积比的溶液，让这五份溶液分别在磁力搅拌器上搅拌至呈现亮黄色。之后进行过滤操作，即可得到SnCh电子传输层的前驱体。3. 3旋涂法旋涂是制备薄膜的一种重要方法。此种方法可有效控制薄膜的厚度且污染较低，相比较其他方法来说，性价比较高，可运用在多种领域中。旋涂主要有以下三个步骤：滴胶，将待测溶液滴到基片表面上。高速旋转，再经过匀胶机的高速旋转将溶液铺展到基片上，形成均匀薄膜。干燥，通过干燥使剩余的溶剂除去，而得到最终具有稳定性能的薄膜。采用旋涂SnCh纳米颗粒溶液的方法是在低温下制备SnCh纳米薄膜作为电子传输层的有效方法。我们通过溶液法来调整其