跳到主要內容

簡易檢索 / 詳目顯示

回結果列表
研究生： 藍鼎閎
Ding-Hung Lan
論文名稱： 利用兩步驟超音波噴塗技術製備平面型p-i-n結構鈣鈦礦太陽能電池元件之應用
Ultrasonic Spray Deposition Technique with Two-Step Method for Planar p-i-n Structure Perovskite Solar Cell Device Application
指導教授： 劉振良
Cheng-Liang Liu
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 化學工程與材料工程學系
Department of Chemical & Materials Engineering
論文出版年： 2017
畢業學年度： 106
語文別： 中文
論文頁數： 121
中文關鍵詞： 鈣鈦礦 、太陽能電池 、超音波噴塗 、兩步法
外文關鍵詞： Perovskite, Solar Cell, Ultrasonic spray, Two Step Method
相關次數： 點閱：13  下載：0 
分享至:
查詢本校圖書館目錄 查詢臺灣博碩士論文知識加值系統 勘誤回報

    • 有機-無機混合之鈣鈦礦已經被認為是光伏電池下一個世代最有前景的材料之一。而兩步驟法是一種製備鈣鈦礦薄膜之方法，此方法容易控制薄膜的厚度、均勻性以及表面型態。本研究使用簡單、成本低廉以及高產出之超音波噴塗技術(ultrasonic spray-coating)並結合兩步驟法(two-step method)皆使用超音波噴塗技術以製備有機-無機混合之鈣鈦礦材料(perovskite materials)作為本太陽能電池之主動層。鈣鈦礦薄膜製作於經蝕刻及旋塗導電高分子PEDOT:PSS之ITO導電玻璃基材上，再利用真空蒸鍍技術蒸鍍C60及BCP分別作為電子傳輸層及電子萃取層兼電洞阻擋層，最後再蒸鍍銀作為電極。利用不同碘化鉛(PbI2)的濃度並與甲基胺碘(CH3NH3I)反應以控制整體鈣鈦礦材料的厚度，並以不同的溶劑比例控制薄膜的形貌，最後利用熱退火溫度和時間來處理此鈣鈦礦主動層，藉此探討上述條件及操控超音波噴塗技術參數對鈣鈦礦薄膜的影響。優化過之本鈣鈦礦太陽能電池其照光面積為10 mm2，最高效率之元件可以達到光電轉換效率為10.4 %，短路電流為17.4 mA cm-2，開環電壓0.83 V，填充因子為72.2 %。本研究採用此超音波噴塗技術表明大規模製造以及低成本鈣鈦礦太陽能電池的潛力。

    Organic-inorganic perovskites have emerged as one of the most promising materials for next-generation photovoltaics. Two-step coating is a method to prepare the perovskite solar cells, it is good way to control film properties including thickness, uniformity, and morphology for active perovskite light absorber. Herein we combine a simple, high throughput ultrasonic spray coating process which can be compatible with the roll-to-roll fabrication process for the large scale production and two-step spray coating method to fabricate the planar hetero-junction perovskite solar cell, with a device architecture ITO / PEDOT:PSS / CH3NH3PbI3 / C60 / BCP / Ag. By manipulating the stoichiometry and concentrations of PbI2 to control the thickness and then reaction with CH3NH3I, post-annealing temperature and spray deposition parameters to optimize the perovskite active layer, the device shows the highest power conversion efficiency (PCE) of 10.4 %, short-circuit current density (JSC) of 17.4 mA cm-2, open circuit voltage (VOC) of 0.83 V and fill factor (FF) of 72.2 %. This sample way by using ultrasonic spray coating demonstrates the potential to make large-scale and low-cost perovskite solar cells.

    摘要–i Abstract–ii 謝誌–iii 目錄–iv 圖目錄–vii 表目錄–xi 第一章 緒論–1 1-1 前言–1 1-2 太陽能電池之分類及演進–2 1-2-1 矽晶太陽能電池–5 1-2-2 碲化鎘薄膜太陽能電池–5 1-2-3 銅銦鎵硒太陽能電池–6 1-2-4 染料敏化太陽能電池–6 1-2-5 有機薄膜太陽能電池–7 1-2-6 綜觀太陽能電池發展比較–8 1-3 太陽能電池之工作原理及特性–10 1-3-1 工作原理–10 1-3-2 特性曲線–12 1-4 新興材料之興起–15 第二章 文獻探討–16 2-1 鈣鈦礦太陽能電池–16 2-1-1 鈣鈦礦發展簡程–16 2-1-2 鈣鈦礦材料及結構–17 2-1-3 電池元件結構–22 2-1-4 鈣鈦礦主動層製作方式–25 2-1-5 影響鈣鈦礦薄膜品質的因素–32 2-1-6 以噴塗法製作之鈣鈦礦太陽能電池–42 2-2 實驗動機–43 第三章 實驗與研究方法–44 3-1 實驗藥品及材料–44 3-2 實驗儀器–45 3-2-1 元件製作儀器–45 3-2-2 元件量測儀器–46 3-2-3 超音波霧化噴塗系統–47 3-3 實驗步驟及方法–49 3-3-1 碘化鉛溶液配置–49 3-3-2 甲基胺碘溶液配置–51 3-3-3 平面異質接面結構元件製作–52 3-4 鈣鈦礦太陽能電池量測方式–60 第四章 結果與討論–62 4-1 碘化鉛濃度之影響–62 4-2 碘化鉛層溶劑比例之影響–69 4-3 甲基胺碘濃度之影響–73 4-4 鈣鈦礦層熱退火之影響–79 4-4-1 熱退火溫度–79 4-4-2 熱退火時間–85 第五章 結論–89 第六章 參考文獻–95 A 附錄–101 A-1. 超音波噴塗技術於PS基板表面抗汙處理之應用–101

    1. Green, M. A., Third Generation Photovoltaics. Springer 2006, P13.
    2. Chilvery, A. K.; Batra, A. K.; Yang, B.; Xiao, K.; Guggilla, P.; Aggarwal, M. D.; Surabhi, R.; Lal, R. B.; Currie, J. R.; Penn, B. G. J. Photonics Energy 2015, 5, 057402.
    3. Oregan, B.; Gratzel, M. Nature 1991, 353, 737.
    4. Zhang, Y.; Zhou, H. Q.; Seifter, J.; Ying, L.; Mikhailovsky, A.; Heeger, A. J.; Bazan, G. C.; Nguyen, T. Q. Adv. Mater. 2013, 25, 7038.
    5. NREL. Best Research-Cell Efficiency. https://www.nrel.gov/pv/assets/images/efficiency-chart.png
    6. Hernday, P. Interpreting I-V Curve and Deviations. http://solarprofessional.com/sites/default/files/articles/ajax/docs/10_SP7_5_pg16_Hernday.jpg
    7. Kojima, A.; Teshima, K.; Shirai, Y.; Miyasaka, T. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 6050.
    8. Im, J. H.; Lee, C. R.; Lee, J. W.; Park, S. W.; Park, N. G. Nanoscale 2011, 3, 4088.
    9. Chung, I.; Lee, B.; He, J. Q.; Chang, R. P. H.; Kanatzidis, M. G. Nature 2012, 485, 486.
    10. Kim, H. S.; Lee, C. R.; Im, J. H.; Lee, K. B.; Moehl, T.; Marchioro, A.; Moon, S. J.; Humphry-Baker, R.; Yum, J. H.; Moser, J. E.; Gratzel, M.; Park, N. G. Sci. Rep. 2012, 2, 591.
    11. Wang, Y. Y.; Song, N. N.; Feng, L.; Deng, X. Y. ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 24703.
    12. Lee, M. M.; Teuscher, J.; Miyasaka, T.; Murakami, T. N.; Snaith, H. J. Science 2012, 338, 643.
    13. Docampo, P.; Ball, J. M.; Darwich, M.; Eperon, G. E.; Snaith, H. J. Nat. Commun. 2013, 4, 2761.
    14. Liu, M. Z.; Johnston, M. B.; Snaith, H. J. Nature 2013, 501, 395.
    15. Xiao, Z. G.; Bi, C.; Shao, Y. C.; Dong, Q. F.; Wang, Q.; Yuan, Y. B.; Wang, C. G.; Gao, Y. L.; Huang, J. S. Energy Environ. Sci. 2014, 7, 2619.
    16. Xie, Y.; Shao, F.; Wang, Y. M.; Xu, T.; Wang, D. L.; Huang, F. Q. ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 12937.
    17. Ciro, J.; Betancur, R.; Mesa, S.; Jaramillo, F. Sol. Energy Mater. Sol. Cells 2017, 163, 38.
    18. Ahn, N.; Son, D. Y.; Jang, I. H.; Kang, S. M.; Choi, M.; Park, N. G. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 8696.
    19. Das, S.; Yang, B.; Gu, G.; Joshi, P. C.; Ivanov, I. N.; Rouleau, C. M.; Aytug, T.; Geohegan, D. B.; Xiao, K. ACS Photonics 2015, 2, 680.
    20. Ye, J. J.; Zheng, H. Y.; Zhu, L. Z.; Zhang, X. H.; Jiang, L.; Chen, W. C.; Liu, G. Z.; Pan, X.; Dai, S. Y. Sol. Energy Mater. Sol. Cells 2017, 160, 60.
    21. Liu, J.; Gao, C.; He, X. L.; Ye, Q. Y.; Ouyang, L. Q.; Zhuang, D. M.; Liao, C.; Mei, J.; Lau, W. M. ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 24008.
    22. Yang, G.; Wang, C. L.; Lei, H. W.; Zheng, X. L.; Qin, P. L.; Xiong, L. B.; Zhao, X. Z.; Yan, Y. F.; Fang, G. J. J. Mater. Chem. A 2017, 5, 1658.
    23. Wang, Q.; Shao, Y. C.; Dong, Q. F.; Xiao, Z. G.; Yuan, Y. B.; Huang, J. S. Energy Environ. Sci. 2014, 7, 2359.
    24. Bi, C.; Wang, Q.; Shao, Y. C.; Yuan, Y. B.; Xiao, Z. G.; Huang, J. S. Nat. Commun. 2015, 6, 7747.
    25. El-Henawey, M. I.; Gebhardt, R. S.; El-Tonsy, M. M.; Chaudhary, S. J. Mater. Chem. A 2016, 4, 1947.
    26. Zhang, H.; Cheng, J. Q.; Lin, F.; He, H. X.; Mao, J.; Wong, K. S.; Jen, A. K. Y.; Choy, W. C. H. ACS Nano 2016, 10, 1503.
    27. Hong, S. C.; Lee, G.; Ha, K.; Yoon, J.; Ahn, N.; Cho, W.; Park, M.; Choi, M. ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 7879.
    28. Dai, S. M.; Tian, H. R.; Zhang, M. L.; Xing, Z.; Wang, L. Y.; Wang, X.; Wang, T.; Deng, L. L.; Xie, S. Y.; Huang, R. B.; Zheng, L. S. J. Power Sources 2017, 339, 27.
    29. Hwang, K.; Jung, Y. S.; Heo, Y. J.; Scholes, F. H.; Watkins, S. E.; Subbiah, J.; Jones, D. J.; Kim, D. Y.; Vak, D. Adv. Mater. 2015, 27, 1241.
    30. Chondroudis, K.; Mitzi, D. B. Chem. Mat. 1999, 11, 3028.
    31. Kagan, C. R.; Mitzi, D. B.; Dimitrakopoulos, C. D. Science 1999, 286, 945.
    32. Bade, S. G. R.; Shan, X.; Hoang, P. T.; Li, J.; Geske, T.; Cai, L.; Pei, Q.; Wang, C.; Yu, Z. Adv. Mater. 2017, 1607053.
    33. Stranks, S. D.; Eperon, G. E.; Grancini, G.; Menelaou, C.; Alcocer, M. J. P.; Leijtens, T.; Herz, L. M.; Petrozza, A.; Snaith, H. J. Science 2013, 342, 341.
    34. Xing, G. C.; Mathews, N.; Sun, S. Y.; Lim, S. S.; Lam, Y. M.; Gratzel, M.; Mhaisalkar, S.; Sum, T. C. Science 2013, 342, 344.
    35. Eperon, G. E.; Stranks, S. D.; Menelaou, C.; Johnston, M. B.; Herz, L. M.; Snaith, H. J. Energy Environ. Sci. 2014, 7, 982.
    36. Kim, H. S.; Jang, I. H.; Ahn, N.; Choi, M.; Guerrero, A.; Bisquert, J.; Park, N. G. J. Phys. Chem. Lett. 2015, 6, 4633.
    37. Liu, D.; Wu, L. L.; Li, C. X.; Ren, S. Q.; Zhang, J. Q.; Li, W.; Feng, L. H. ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 16330.
    38. Wojciechowski, K.; Ramirez, I.; Gorisse, T.; Dautel, O.; Dasari, R.; Sakai, N.; Hardigree, J. M.; Song, S.; Marder, S.; Riede, M.; Wantz, G.; Snaith, H. J. ACS Energy Lett. 2016, 1, 648.
    39. Zhu, W. D.; Kang, L.; Yu, T.; Lv, B. H.; Wang, Y. R. Q.; Chen, X. Y.; Wang, X. Y.; Zhou, Y.; Zou, Z. G. ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 6104.
    40. Im, J. H.; Jang, I. H.; Pellet, N.; Gratzel, M.; Park, N. G. Nat. Nanotechnol. 2014, 9, 927.
    41. Bai, Y.; Yu, H.; Zhu, Z. L.; Jiang, K.; Zhang, T.; Zhao, N.; Yang, S. H.; Yan, H. J. Mater. Chem. A 2015, 3, 9098.
    42. Yang, Z. B.; Chueh, C. C.; Zuo, F.; Kim, J. H.; Liang, P. W.; Jen, A. K. Y. Adv. Energy Mater. 2015, 5, 1500328.
    43. Wang, F.; Yu, H.; Xu, H. H.; Zhao, N. Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 1120.
    44. Subbiah, A. S.; Halder, A.; Ghosh, S.; Mahuli, N.; Hodes, G.; Sarkar, S. K. J. Phys. Chem. Lett. 2014, 5, 1748.
    45. Yen, H. J.; Liang, P. W.; Chueh, C. C.; Yang, Z. B.; Jen, A. K. Y.; Wang, H. L. ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 14513.
    46. Chen, X. M.; Cao, H. Q.; Yu, H.; Zhu, H.; Zhou, H. P.; Yang, L. Y.; Yin, S. G. J. Mater. Chem. A 2016, 4, 9124.
    47. Chen, C. C.; Hong, Z. R.; Li, G.; Chen, Q.; Zhou, H. P.; Yang, Y. J. Photonics Energy 2015, 5, 057405.
    48. Tao, H.; Ke, W. J.; Wang, J.; Liu, Q.; Wan, J. W.; Yang, G.; Fang, G. J. J. Power Sources 2015, 290, 144.
    49. Wang, L.; Liu, F. J.; Liu, T. J.; Wang, J. W.; Cai, X. Y.; Wang, G. T.; Ma, T. L.; Jiang, C. ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 30920.
    50. Kim, J. H.; Chueh, C. C.; Williams, S. T.; Jen, A. K. Y. Nanoscale 2015, 7, 17343.
    51. Deng, Y. H.; Peng, E.; Shao, Y. C.; Xiao, Z. G.; Dong, Q. F.; Huang, J. S. Energy Environ. Sci. 2015, 8, 1544.
    52. Huang, H. B.; Shi, J. J.; Lv, S. T.; Li, D. M.; Luo, Y. H.; Meng, Q. B. Chem. Commun. 2015, 51, 10306.
    53. Gittleson, F. S.; Hwang, D.; Rya, W. H.; Hashmi, S. M.; Hwang, J.; Goh, T.; Taylor, A. D. ACS Nano 2015, 9, 10005.
    54. Song, Z. N.; Watthage, S. C.; Phillips, A. B.; Heben, M. J. J. Photonics Energy 2016, 6, 022001.
    55. Zhou, H. P.; Chen, Q.; Li, G.; Luo, S.; Song, T. B.; Duan, H. S.; Hong, Z. R.; You, J. B.; Liu, Y. S.; Yang, Y. Science 2014, 345, 542.
    56. You, J. B.; Meng, L.; Song, T. B.; Guo, T. F.; Yang, Y.; Chang, W. H.; Hong, Z. R.; Chen, H. J.; Zhou, H. P.; Chen, Q.; Liu, Y. S.; De Marco, N.; Yang, Y. Nat. Nanotechnol. 2016, 11, 75.
    57. Chen, W.; Wu, Y. Z.; Liu, J.; Qin, C. J.; Yang, X. D.; Islam, A.; Cheng, Y. B.; Han, L. Y. Energy Environ. Sci. 2015, 8, 629.
    58. Wang, K. C.; Jeng, J. Y.; Shen, P. S.; Chang, Y. C.; Diau, E. W. G.; Tsai, C. H.; Chao, T. Y.; Hsu, H. C.; Lin, P. Y.; Chen, P.; Guo, T. F.; Wen, T. C. Sci. Rep. 2014, 4, 4756.
    59. Park, J. H.; Seo, J.; Park, S.; Shin, S. S.; Kim, Y. C.; Jeon, N. J.; Shin, H. W.; Ahn, T. K.; Noh, J. H.; Yoon, S. C.; Hwang, C. S.; Seok, S. I. Adv. Mater. 2015, 27, 4013.
    60. Chen, Q.; Zhou, H. P.; Hong, Z. R.; Luo, S.; Duan, H. S.; Wang, H. H.; Liu, Y. S.; Li, G.; Yang, Y. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 622.
    61. Jeon, N. J.; Noh, J. H.; Kim, Y. C.; Yang, W. S.; Ryu, S.; Il Seol, S. Nat. Mater. 2014, 13, 897.
    62. Liang, K. N.; Mitzi, D. B.; Prikas, M. T. Chem. Mat. 1998, 10, 403.
    63. Burschka, J.; Pellet, N.; Moon, S. J.; Humphry-Baker, R.; Gao, P.; Nazeeruddin, M. K.; Gratzel, M. Nature 2013, 499, 316.
    64. Song, T. B.; Chen, Q.; Zhou, H. P.; Jiang, C. Y.; Wang, H. H.; Yang, Y.; Liu, Y. S.; You, J. B.; Yang, Y. J. Mater. Chem. A 2015, 3, 9032.
    65. Mitzi, D. B.; Prikas, M. T.; Chondroudis, K. Chem. Mat. 1999, 11, 542.
    66. Hao, F.; Stoumpos, C. C.; Liu, Z.; Chang, R. P. H.; Kanatzidis, M. G. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 16411.
    67. Tait, J. G.; Manghooli, S.; Qiu, W.; Rakocevic, L.; Kootstra, L.; Jaysankar, M.; de la Huerta, C. A. M.; Paetzold, U. W.; Gehlhaar, R.; Cheyns, D.; Heremans, P.; Poortmans, J. J. Mater. Chem. A 2016, 4, 3792.
    68. Schmidt, T. M.; Larsen-Olsen, T. T.; Carle, J. E.; Angmo, D.; Krebs, F. C. Adv. Energy Mater. 2015, 5, 1500569.
    69. Eperon, G. E.; Burlakov, V. M.; Docampo, P.; Goriely, A.; Snaith, H. J. Adv. Funct. Mater. 2014, 24, 151.
    70. Dualeh, A.; Tetreault, N.; Moehl, T.; Gao, P.; Nazeeruddin, M. K.; Gratzel, M. Adv. Funct. Mater. 2014, 24, 3250.
    71. Nie, W. Y.; Tsai, H. H.; Asadpour, R.; Blancon, J. C.; Neukirch, A. J.; Gupta, G.; Crochet, J. J.; Chhowalla, M.; Tretiak, S.; Alam, M. A.; Wang, H. L.; Mohite, A. D. Science 2015, 347, 522.
    72. Xiao, Z. G.; Dong, Q. F.; Bi, C.; Shao, Y. C.; Yuan, Y. B.; Huang, J. S. Adv. Mater. 2014, 26, 6503.
    73. Liang, P. W.; Liao, C. Y.; Chueh, C. C.; Zuo, F.; Williams, S. T.; Xin, X. K.; Lin, J. J.; Jen, A. K. Y. Adv. Mater. 2014, 26, 3748.
    74. Zuo, C. T.; Ding, L. M. Nanoscale 2014, 6, 9935.
    75. Chang, C. Y.; Chu, C. Y.; Huang, Y. C.; Huang, C. W.; Chang, S. Y.; Chen, C. A.; Chao, C. Y.; Su, W. F. ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 4955.
    76. You, J. B.; Yang, Y. M.; Hong, Z. R.; Song, T. B.; Meng, L.; Liu, Y. S.; Jiang, C. Y.; Zhou, H. P.; Chang, W. H.; Li, G.; Yang, Y. Appl. Phys. Lett. 2014, 105, 183902.
    77. Mohamad, D. K.; Griffin, J.; Bracher, C.; Barrows, A. T.; Lidzey, D. G. Adv. Energy Mater. 2016, 1600994.
    78. Barrows, A. T.; Pearson, A. J.; Kwak, C. K.; Dunbar, A. D.; Buckley, A. R.; Lidzey, D. G. Energy Environ. Sci. 2014, 7, 2944.
    79. Chang, W.-C.; Lan, D.-H.; Lee, K.-M.; Wang, X.-F.; Liu, C.-L. ChemSusChem 2017, 10, 1405.
    80. Jung, Y.-S.; Hwang, K.; Scholes, F. H.; Watkins, S. E.; Kim, D.-Y.; Vak, D. Sci. Rep. 2016, 6, 20357.
    81. Liang, Z.; Zhang, S.; Xu, X.; Wang, N.; Wang, J.; Wang, X.; Bi, Z.; Xu, G.; Yuan, N.; Ding, J. RSC Adv. 2015, 5, 60562.
    82. Kato, Y.; Ono, L. K.; Lee, M. V.; Wang, S. H.; Raga, S. R.; Qi, Y. B. Advanced Materials Interfaces 2015, 2, 1500195.
    83. Chang, J. J.; Zhu, H.; Xiao, J. X.; Isikgor, F. H.; Lin, Z. H.; Hao, Y.; Zeng, K. Y.; Xu, Q. H.; Ouyang, J. Y. J. Mater. Chem. A 2016, 4, 7943.

    QR CODE
    :::