熱處理效應對於混合陽離子鈣鈦礦太陽能電池之光電性質及電池穩定性影響

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羅忻(Hsin Lo) 查詢紙本館藏

畢業系所

化學工程與材料工程學系

論文名稱

熱處理效應對於混合陽離子鈣鈦礦太陽能電池之光電性質及電池穩定性影響
(Thermal treatment on photoelectric properties and stability of mixed-cation perovskite solar cells)

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摘要(中)

近年來鈣鈦礦太陽能電池藉著其低製程成本及高效率等顯著優點而蓬勃發展，其中影響商業應用的最大挑戰是電池的穩定性。
本研究著重於將摻銫與未摻銫的鈣鈦礦薄膜做比較，分析其結晶狀態，表面形貌及應用於太陽能電池的光電性能的差異，發現添加碘化銫能有效提升成膜性、晶體粒徑大小、電池效率及其穩定性，證明了添加碘化銫在混合鈣鈦礦溶液中的重要性。
之後進行製程方面探討，利用旋塗方式製備摻銫鈣鈦礦薄膜，藉由調整薄膜的成膜時間及溫度，分析材料晶體，表面型態、元件光電性質表現及穩定性測試來探討其最佳條件及製程與電池性能關聯性。研究發現在低溫(100oC)且短時間(15min)熱處理，容易呈現反應不完全的現象；而在高溫(155 oC)且熱處理時間拉長(60min)時，PbI2會大量析出使晶體結構破壞，因此得出最佳化條件為在135 oC下進行熱處理60分鐘，將其應用於n-i-p結構的鈣鈦礦太陽能電池中，光電轉換效率可達18 %。且將元件放置於低濕環境中保存300小時，元件效率可維持原本的 70 %。最後測量薄膜之長期穩定性，並與元件穩定性兩者相比較，得出製程對於元件製作的影響及相關性。

摘要(英)

In recent years, perovskite solar cells have flourished with significant advantages such as low cost and high efficiency. The major challenge for the commercial application is the stability.
This study focuses on the difference of the perovskite solar cell with or without cesium-doped, with film analysis, power conversion efficiency and stability testing. we analysis crystallization, surface morphology and the electrical properties of the solar cells. It was found that the cells with cesium-doped effectively improve the film uniformity, efficiency and stability.
Then we use spin coating method to fabricate the perovskite film, by adjusting the film formation time and temperature; we optimized the best temperature at 135 degree Celsius with annealing 60 minutes. We found that with the lower temperature and the shorter time annealing, the easier incomplete reaction to be discovered. However, higher temperature and the longer heating time, a large amount of PbI?2 will deposit and destroy the crystal structure. This result applied to n-i-p type solar cells, the power conversion efficiency is up to 18%. After measuring its long-term stability, it was found stable that the efficiency maintains 70% about 300 hours in a low-humidity environment.

關鍵字(中)

★ 熱效應
★ 摻碘化銫之鈣鈦礦溶液
★ 穩定性

關鍵字(英)

論文目次

中文摘要 I
Abstract II
目錄 III
圖目錄 VII
表目錄 XI
第一章緒論 1
1-1前言 1
1-2太陽能電池發展歷史與種類介紹 2
1-2-1 無機太陽能電池 2
1-2-2 有機太陽能電池 3
1-3文獻回顧 9
1-3-1鈣鈦礦太陽能電池的起源及發展 9
1-3-2鈣鈦礦太陽能電池的組成與工作原理 12
1-3-3鈣鈦礦太陽能電池的結構 13
1-3-4鈣鈦礦材料的發展 16
1-3-5影響鈣鈦礦薄膜形貌的因素 23
1-4研究動機 30
第二章實驗方法 32
2-1實驗藥品及儀器 32
2-2材料合成 34
2-2-1甲基胺碘合成 34
2-2-2二氧化鈦漿料合成 34
2-3鈣鈦礦太陽能電池的製備方法 35
2-3-1鈣鈦礦前驅液配置 35
2-3-2製備二氧化鈦緻密層溶液 35
2-3-3製備二氧化鈦介孔層溶液 35
2-3-4電洞傳輸層(Spiro-OMeTAD)溶液配置 36
2-3-5正結構鈣鈦礦太陽能電池製作 36
2-4儀器分析原理 41
2-4-1掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope, SEM) 41
2-4-2 X光繞射儀(X-Ray Diffractometer, XRD) 41
2-4-3原子力顯微鏡(Atomic force microscope, AFM) 42
2-4-4紫外光/可見光光譜儀(UV/VIS/NIR Spectrophotometer) 42
2-4-5光激發螢光光譜儀、時間解析之螢光光譜儀(Photoluminescence, PL)、( Time-resolved photoluminescence spectrometer, TRPL) 43
2-4-6太陽光模擬器(Solar Simulator) 43
第三章結果與討論(一) 45
3-1摻銫與未摻銫之鈣鈦礦膜比較 45
3-1-1表面形貌分析 45
3-1-2材料結構分析 47
3-1-3薄膜光電性質分析 48
3-2太陽能電池效率表現 49
3-3穩定性測試 51
第四章結果與討論(二) 53
4-1 加熱時間與溫度對鈣鈦礦薄膜的影響 53
4-1-1表面形貌分析 53
4-1-2材料結構分析 58
4-1-3薄膜光電性質分析 60
4-2鈣鈦礦薄膜穩定性分析 64
4-2-1 薄膜光電性質分析 64
4-2-2 晶體結構分析 65
4-2-3薄膜之表面形貌 68
4-2-4薄膜之表面退化過程 69
4-3太陽能電池效率表現 71
4-4電池穩定性測試 74
4-4-1電池穩定性測量 74
4-4-2電池表面穩定性分析 76
第五章結論與未來展望 79
第六章參考文獻 81

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指導教授

張博凱

審核日期

2018-7-27

推文