利用溶液工程製備 高效率鈣鈦礦太陽能電池之研究

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王凱弘(Kai-hung Wang) 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

利用溶液工程製備高效率鈣鈦礦太陽能電池之研究

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摘要(中)

在本研究中首先以溶劑工程法探討不同前驅液對鈣鈦礦成膜的影響，並使用混合的前驅液溶劑(GBL及DMSO)溶解CH3NH3PbI3，接者在旋轉塗佈過程中以甲苯作為滴旋溶劑，經過熱處理後可得到平整且緻密的鈣鈦礦膜，並成功地提升元件的效率表現。進一步對鈣鈦礦膜熱處理時間、溫度以及鈣鈦礦層、電子收集層厚度最佳化修飾。此外，滴旋溶劑的處理也會決定最後成膜的關鍵之一，所以對於滴旋溶劑的選擇也是相當重要的，我們也探討了不同滴旋溶劑來處理鈣鈦礦膜，而後應用在CH3NH3Pb(I1-xBrx)3鈣鈦礦層中。本研究在平面異質結構鈣鈦礦太陽能電池中，CH3NH3PbI3以熱處理100oC及1 分鐘下，其元件效率可達12.85%且沒有遲滯現象，CH3NH3Pb(I0.95Br0.05)3熱處理100oC及10分鐘下，其元件效率可達12.55%。最後將製備CH3NH3PbI3最佳化條件應用在平面異質介孔結構太陽能電池中，我們藉者旋轉塗佈轉速調控不同緻密層TiOx厚度、介孔層厚度以及利用TiCl4(aq) 作為後處理修飾二氧化鈦工作電極以提升開環電壓(Voc)與短路電流(Jsc)，使效率提升至14.20%。另一方面，我們嘗試結合FAPbI3在此電池結構中以提升電流，其Jsc為19.93 mA/cm2，效率僅9.85%，(FAPbI3)0.85(MAPbBr3)0.15將Voc從0.838提升至 1.004 V，Jsc為17.48 mA/cm2，效率僅9.71%。

摘要(英)

In this study, we first discussed the effect of perovskite film with different precursor solution by solvent engineering process. We used the mix solvent (GBL and DMSO) to dissolve CH3NH3PbI3 then following by toluene drop-casting while spinning. The uniform and dense perovskite layers would formed by thermal process and improve the performance of power- conversion efficiency successfully. Then, the pervoskite film of annealing temperature and time, the thickness of perovskite film and electron collecting layer for optimizing modification were also investigated. In addition, the drop-casting solvent treatment also determined the key of the final perovskite film. It is important that choosing the drop-casting solvent. Therefore, we also discussed it and applied it in CH3NH3Pb(I1-xBrx)3 layer. The result in planer heterojunction structure perovskite solar cells showed that the efficiency could reach 12.85% and 12.55% with no hysteresis by annealing CH3NH3PbI3 layer at 100oC for 1 min and CH3NH3Pb(I0.95Br0.05)3 layer at 100oC for 10 min, respectively. Finally, we applied the optimal conditions of CH3NH3PbI3 layer to mesoscopic heterojunction structure solar cell. We controlled compact layer of TiOx and mesoscopic layer by spin-coating rate and modified TiO2 working electrode by post-treating with TiCl4(aq) to enhance the open-circuit voltage (Voc) and short-circuit (Jsc), and enabled efficiency improved to 14.20%.On the other hand, we try to use the FAPbI3 and (FAPbI3)0.85(MAPbBr3)0.15 in this device structure. But the Jsc and efficiency was barely 19.93 mA/cm2 and 9.85%, 17.48 mA/cm2 and 9.71%, respectively. The Voc improved from 0.838 to 1.004 V by using the latter.

關鍵字(中)

★ 鈣鈦礦
★ 溶液工程

關鍵字(英)

論文目次

目錄
中文摘要 I
Abstract II
謝誌 Ⅲ
目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 XII
第一章緒論 1
1-1前言 1
1-2太陽能電池種類介紹 3
1-2-1 無機太陽能電池 4
1-2-2 有機太陽能電池 5
1-3 鈣鈦礦太陽能電池 (Perovskite solar cell) 8
1-3-1 鈣鈦礦太陽能電池結構的緣起 9
1-3-2 介孔異質介面鈣鈦礦太陽能電池 (Solid-state mesoscopic heterojunction perovskite solar cells) 11
1-3-3平面異質接面鈣鈦礦太陽能電池(Planar heterojunction perovskite solar cells) 16
1-3-4低溫製程之平板介面鈣鈦礦太陽能電池(Low-temperature process planar heterojunction perovskite solar cells) 18
1-4 影響鈣鈦礦膜的因素與文獻回顧 20
1-5 研究動機 27
第二章實驗方法 28
2-1 實驗藥品及儀器 28
2-2 鈣鈦礦材料的製備 31
2-2-1 甲基胺碘,溴(CH3NH3X, X=I, Br)合成 31
2-2-2 甲脒胺碘合成(NH2CH5NH2I, FAI)合成 31
2-2-3 鈣鈦礦溶液配置 32
2-2-4緻密層TiOX溶液、二氧化鈦漿料分散配置 33
2-2-5 電子傳輸層(PC61BM)、電洞傳輸層(Spiro-OMeTAD)溶液配置 33
2-3平面異質接面結構元件製作 34
2-4平面異質介孔結構元件製作 38
2-5儀器分析與樣品製備 42
2-5-1掃描式電子顯微鏡 42
2-5-2太陽光模擬器 43
2-5-3太陽能電池外部量子效率量測系統 44
2-5-4 .X光繞射儀 45
2-5-5紫外光/可見光光譜儀 47
2-5-6表面輪廓儀 47
2-5-7熱蒸鍍鍍膜系統 48
第三章結果與討論(一)平面異質結構鈣鈦礦太陽能電池探討 49
3-1鈣鈦礦層前驅液溶劑的影響 49
3-1-1 不同前驅液溶劑對於鈣鈦礦層的影響 49
3-1-2 .GBL/DMSO溶劑混合比的影響 55
3-2鈣鈦礦層熱處理的影響 61
3-2-1不同熱處理溫度的影響 61
3-2-2鈣鈦礦層熱處理時間的影響 64
3-2-3長時間熱處理影響 66
3-3不同製程條件的影響 70
3-3-1鈣鈦礦層厚度的影響 70
3-3-2電子收集層(PC61BM)厚度的影響 72
3-4溶劑滴旋中不同滴旋溶劑的影響 74
3-5 CH3NH3Pb(I1-xBrx)3結構的影響 79
3-5-1 CH3NH3PbBr3, CH3NH3PbI3摻混比例的影響 79
3-5-2 CH3NH3Pb(I0.95Br0.05)3熱處理時間的影響 82
3-5-3 CH3NH3Pb(I1-xBrx)3熱處理時間的影響 83
3-6 元件量測遲滯現象觀察 84
第四章結果與討論(二)平面異質介孔結構鈣鈦礦太陽能電池探討 88
4-1 不同二氧化鈦條件處理的影響 88
4-1-1 TiOx緻密層厚度的影響 88
4-1-2 TiO2介孔層厚度的影響 90
4-1-3 TiCl4(aq) 對介孔層後處理的影響 91
4-2 Perovskite結構中methylammonium/formamidinium比例的影響 93
4-2-1 FAPbI3熱處理溫度的影響 94
4-2-2 (FAPbI3)0.85(MAPbBr3)0.15熱處理溫度的影響 96
4-2-3不同(FAPbI3)0.85(MAPbBr3)0.15熱處理溫度的影響 98
第五章結論 100
第六章參考文獻 102

參考文獻

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指導教授

李坤穆

審核日期

2015-7-28

推文