基于SnO2纳米棒电子传输层的介孔型钙钛矿太阳能电池研究开题报告

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1. 研究目的与意义（文献综述）

钙钛矿太阳能电池（perovskite solar cells，pscs）因其低成本、易制造以及高光电转换效率（photoelectric conversion efficiency，pce）被公认为是最有前途的光伏技术，不到十年的时间里pce就从3.8%^[1]大幅度地跳跃至22.7%^[2]。随着pce的提高，一些问题也随之出现，比如器件紫外光催化活性高、制备消耗能量大、成本高、稳定性差等。研究者们发现造成这些问题的一部分原因是由于制备etl的材料tio₂的一些特性以及制备方法所造成的，因此本次设计将把更多的注意力放在寻求更合适的材料和制备方法来提高器件的稳定性。

首先我们来讨论选择什么结构的pscs。pscs常见的结构类型有介孔型和平面型，两者的大致结构都是透明导电电极（掺氟氧化锡（f-doped tin dioxide，fto）等）/电子传输层（electron transport layer，etl）/钙钛矿吸收层/空穴传输层（hole-transporting layer，htl）/金属电极，区别在于etl是否包含介孔层，而两者有其各自的优缺点。平面型结构的etl只包含致密层，其作用主要是与钙钛矿层形成电子选择性接触，提取钙钛矿层在光激发下形成的电子，与此同时也阻挡空穴朝该方向的移动。平面型pscs的一大优点是其所有结构层都可以在低温下进行制备，以避免高温烧结和退火所带来的种种缺点——需要消耗大量的能量、sno₂出现降解从而形成大量电荷陷阱或者氧原子空缺等复合中心^[3]。此外，由于平面型pscs结构相对简单，因此其制作工艺也比较简单。但是，平面型pscs存在以下缺点^[4]：（a）由于etl材料的空穴扩散长度长于钙钛矿材料（ch₃nh₃pbx₃，x为i或br）的电子扩散长度，所以需要额外的介孔支架来增加层与层的接触面积，从而补偿过短的电子扩散长度；（b）钙钛矿材料结晶速度过快以及不易控制使得平面pscs稳定性差，不利于大规模的工业化生产。而介孔型pscs的etl包括致密层和介孔层，介孔层属于多孔型结构，能够起到支撑作用，钙钛矿前驱液能够渗入其中并充分填充空隙，使得钙钛矿材料形成更为光滑、连续的薄膜以获得大面积均匀覆盖的钙钛矿层，从而克服上述缺点^[4]。此外，介孔层能够帮助致密层从钙钛矿层中获取电子，从而抑制甚至消除迟滞效应，提高pscs的性能^[4]。同时，介孔层的厚度也会对pscs的性能产生较大影响，当介孔层较薄时，钙钛矿层会将其与htl完全隔开，有助于提高开路电压^[5]。鉴于上述介孔结构对pscs性能的影响，本次设计将选择介孔型pscs作为研究的类型。

接下来我们来讨论选择什么材料制备etl。目前tio₂是应用最多的半导体etl材料。然而tio₂存在一些局限性^[3-4]：（a）tio₂需要高温处理（high-temperature-process，htp）来去除有机杂质，而htp需要消耗大量的能量，同时退火会导致界面接触不良、电化学性能变差等问题；（b）tio₂的电子迁移率较低；（c）tio₂在紫外光区域具有很高的催化活性，稳定性差；（d）tio₂与钙钛矿材料之间存在电荷势垒，导致界面上出现大量电荷积累，使得界面上的电荷传输效率低下，器件性能下降。因此我们要寻找更合适的etl材料来提高pscs的稳定性和性能。sno₂是目前发现的唯一一种与tio₂一样能够同时用于制备致密层和介孔层的材料，而且sno₂也表现出了许多优异的特性^[3-4]：（a）sno₂具有更深的导带和与钙钛矿材料更加匹配的能级，能够促进电子的吸收和空穴的阻挡；（b）sno₂具有高达240cm²v^-1s^-1的电子迁移率以及高的电导率，可以提高电子传输效率以及降低复合损失；（c）sno₂具有较宽的光学带隙，同时在整个可见光谱上具有高的透过率，这将保证大部分光能够通过并被钙钛矿层吸收；（d）sno₂易于低温处理，耗费能量较少，可实现大规模商品化生产；（e）sno₂具有优异的化学稳定性、抗紫外线性以及较低的光催化活性，这有利于提高器件整体的稳定性。同时sno₂纳米材料具有尺寸小、比表面积大等优点，非常适合于制备高性能pscs。

2. 研究的基本内容与方案

2.1研究的基本内容

查阅文献，寻找适合制备一维sno₂纳米棒的方法，并用其作为pscs etl制备出高性能的介孔型pscs。同时不断完善实验方案，使得pscs的性能达到最佳，性能指标主要包括：pce、ff、j_sc、v_oc、稳定性（紫外光的催化活性、寿命）等。

2.2研究的主要目标

（1）查阅相关文献，掌握钙钛矿太阳能电池的原理及基于sno₂电子传输层的pscs的研究现状；

（2） 研究sno₂纳米棒的可控制备方案，基于实验室条件制定实验方案并制备sno₂纳米棒；

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，基本确立研究思路，完成开题报告初稿。然后继续阅读文献，进行开题报告的修改，在阅读文献的同时进行外文文献翻译，并初步确定实验方案。

第4周：整理并确定实验具体方案，同时可以完成论文的第一部分。

第5－8周：掌握pscs的原理及制备方法，利用水热法制备一维sno₂纳米棒，然后对制备sno₂纳米棒进行表面处理以提高其性能。通过改变反应的时间、温度或者溶液的浓度改变sno₂纳米棒的粒径和和形貌，寻找最优的制备方案，还可以根据时间是否充足以及实验室条件对sno₂进行掺杂等操作，最终目的即是为了得到高性能的pscs。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] kojima a, teshima k, shirai y, et al. organometal halide perovskites as visible-light sensitizers for photovoltaic cells[j]. journal of the american chemical society, 2009, 131(17): 6050-6051.

[2] nrel best research-cell efficiencies, https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency,accessed:march 2020.

[3] jiang q, zhang x, you j. sno₂: a wonderful electron transport layer for perovskite solar cells[j]. small, 2018, 14(31): 1801154.