稀土掺杂SnO2纳米材料电子传输层介孔型钙钛矿太阳能电池研究开题报告

全文总字数：6938字

1. 研究目的与意义（文献综述）

随着化石能源的不断消耗及其在使用过程中引起的环境污染，是现代社会进步所面临的挑战之一，因此开发绿色、环保、新型能源是未来社会发展的必要课题。太阳能作为取之不尽用之不竭的新型能源，已逐步为人类社会所取用。太阳能电池是利用光伏特性将太阳能转化为电能的主要器件。太阳能电池一般可以分为无机太阳能电池、有机太阳能电池和有机-无机杂化太阳能电池三大类。钙钛矿太阳能电池是有机-无机杂化太阳能电池类型之一。

经过近几年不断努力，钙钛矿太阳能电池光电转化效率逐步提高，研究者也更多地关注钙钛矿太阳能电池的稳定性和大面积柔性制备等方面的研究。钙钛矿太阳能电池中电子传输层在抑制钙钛矿材料中产生的空穴-电子复合和整流光电流方面起着重要作用。目前一些无机n型半导体如tio₂、zno、sno₂等被广泛的应用到钙钛矿太阳能电池中。

介孔sno₂薄膜材料常用在料敏化太阳电池中作为电子传输材料。sno₂具有较宽的带隙 (3.6～4.0ev) ，在整个可见光谱上具有较高的光透过率。同时具有较低的导带边，有利于光生电子从光吸收材料注入到导带中。sno₂材料的电子迁移率较高，sno₂材料在低温制备条件下，容易在柔性基底形成电子传输层，是制备柔性钙钛矿太阳能电池的重要手段。另外，其具有较好的稳定性和抗紫外性，有利于提高整个钙钛矿太阳能电池的稳定性。

2. 研究的基本内容与方案

2.1. 基本内容与目标

介孔层是钙钛矿太阳能电池的可选膜层结构，主要作为钙钛矿层的支架或多孔的载体，从而有利于钙钛矿敏化剂膜层的均匀和致密成膜。针对以SnO₂纳米材料作为电子传输层的介孔型钙钛矿太阳能电池，稀土掺杂可以有效的改善电子传输层以及电子传输层和钙钛矿吸光层界面性能，从而提高钙钛矿太阳能电池效率。研究SnO₂介孔层稀土掺杂对电池效率的影响，寻求最优方法提高电池性能。掌握钙钛矿太阳能电池的原理及SnO₂电子传输层的研究现状。研究稀土掺杂SnO₂纳米材料的可控制备。组装基于稀土掺杂SnO₂纳米材料电子传输层的介孔型钙钛矿太阳能电池并优化制备工艺提升电池性能。

2.2. 拟采用的技术方案及措施

目前研究者们已经研发了多种制备稀土掺杂SnO₂纳米材料的方法，经过查阅资料我发现以下几种制备方法流程较为简单，且制备效率较高。

（1）水热法

1)称取0.5260gSnCl₄·5H₂O (1.5mmol)放在烧杯中，向其中加入40ml事先准备好的以1:1配好的无水乙醇-水溶液，搅拌，使SnCl₄·5H₂O完全溶解。

2)称取1.010g(18mmol)，加入上述溶液中，使其完全溶解，继续搅拌5min，将所得溶液(含沉淀)全部转移到50mL不锈钢高压釜中，拧紧，贴上标签。

3)向0.5260gSnCl₄·5H₂O中掺5%的La(NO₃)₃·6H₂O，0.0260gCe(NO₃)₃·6H₂O或0.0270gSm(NO₃)₃·6H₂O，重复上述实验步骤1)、2)。

4)将上述得到的4个不锈钢高压釜放在热风干燥箱中用180C加热20h，待反应结束后通过离心法将上述沉淀用1:1无水乙醇-水溶液洗涤至pH=7，并将所得4种沉淀物放在热电鼓风干燥箱中干燥10h.将得到的4种沉淀放在马弗炉中600C焙烧2h。

5)将烧结好的SnO₂及掺杂不同稀土元素的SnO₂样品均匀涂抹在陶瓷测试管上600C焙烧1h.其次焊接在基座上并置于老化台上老化7d,最后在气敏测试台上进行测试，并计算对比其灵敏度。

（2）溶胶-凝胶法

1)以 SnCl₂·2H₂O及 Y(NO₃)₃·6H₂O为原料 (均为分析纯) , 以无水乙醇为溶剂 , 将SnCl₂·2H₂O及 Y(NO₃)₃·6H₂O分别溶于适量无水乙醇中 , 再将两种溶液按一定的摩尔比 (Y/Sn= x % , x =0.3;0.7;1;1.5;3.5;) 混合 , 边电力搅拌边回流两小时,老化24h，便得到均匀透明的匀胶液。

2)将上述溶液滴在清洁好的玻璃基片上，并在匀胶机上高速旋转，在3.3kr/min 的转速下匀胶30s，即在基片上沉积一层均匀的湿膜。匀胶前玻璃基片依次用重铬 酸钾浸泡，去离子水冲洗，丙酮超声清洗，乙醇超声清洗烘干处理。

3)匀胶后的湿膜在空气中干燥一段时间形成干凝胶膜放入马福炉中进行热处 理 , 适当地控制热处理温度和升温速度就可以获得质量较好 ,Y₂O₃掺杂量不同 的薄膜。

（3）真空气相沉积法

1)将分析纯SnO₂粉末仔细研磨与1%、3%、5%的Nd粉末均匀混合置于铝舟中，在系统真空度为4.0×10^-3Pa蒸发电流为150mA的条件下进行真空气相沉积制备薄膜，衬底为严格清洗过的平整载玻片，蒸发时间15min，得到表面均匀、平整的棕红色SnO₂薄膜。

2)然后在氧气和空气气氛中进行热处理、氧化、热处理工艺条件：

T=450C、500C、550C，t=5、15、30、45、60min 氧气流量为700mL/min。得到表面平整、膜面为乳白色半透明的薄膜。

本次实验中，拟采用实验过程简单、实验温度较低且易于操作的水热法制备稀土掺杂二氧化锡纳米材料。实验中的钙钛矿太阳能电池按照如下结构进行组装。

图1 光电池结构图

对稀土掺杂SnO₂组装的钙钛矿太阳能电池进行J-V测试，得到光电转换性能参数有效面积、开路电压、短路电流、短路电流密度、填充因子和PCE值。多次进行测量得到多组数据，并从中取出满足实验要求的数据，并计算其平均功率。通过控制变量法，改变溶液浓度、实验环境温度、反应时间、光照强度等优化制备工艺提升电池性能。

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，了解钙钛矿太阳能电池的结构和工作原理及sno₂电子传输层的研究现状，，基本确立研究思路，并能根据已经了解的知识内容完成开题报告。按照要求完成5000字英文文献翻译。

第4－8周：掌握钙钛矿太阳能电池的制备方法，研究稀土掺杂sno₂纳米材料的可控制备，并通过水热法制备稀土掺杂sno₂纳米材料。

第9－12周：制备基于稀土掺杂sno₂纳米材料的介孔型钙钛矿太阳能电池，并通过不断实验，获得更为高效的稀土掺杂sno₂纳米材料，优化电池结构及制备工艺以提升电池性能。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] correa-baena jp , abate a , saliba m , et al. the rapid evolution of highly efficientperovskite solar cells[j]. energy environ. sci. 2017, 10(3):710-727.

[2] jiang qi,zhang xingwang, you jingbi. sno₂ : a wonderful electron transportlayer for perovskite solar cells [j]. small, 2018, 14(31):1801154.

[3] elham halvanianaraki, ahmad kermanpur, matthew t. mayer , et al. low-temperature nb-dopedsno₂ electron-selective contact yields over 20% efficiency in planarperovskite solar cells[j]. acs energy letters, 2018, 3(4):773-778.