太阳能电池体系中电荷传输超快过程研究

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将钙钛矿材料及表面等离激元应用于太阳能电池的设计已成为国际上光伏研究迅猛发展的热点。载流子的分离与传输性能是影响太阳能电池系统的光电转换效率的关键性因素。飞秒时间分辨的超快光谱提供了一种很有用的实验手段,光激发的载流子的产生,分离,迁移及复合的过程在光电转换材料及器件中进行了研究。目前对全无机钙钛矿太阳能电池材料界面间载流子分离传输的研究甚少,其物理机制还不清楚。等离激元效应能否在光电转换中起到积极的作用一直存在争议。提高光电转换效率的原因是电子的热运动引起的电荷移动有关,还是电子直接与贵金属注入到相应的受体有关呢?因此研究对于提高太阳能电池的光电转换效率具有非常重要的实际意义。本文所使用的实验手段为飞秒时间分辨超快光谱技术,应用此方法研究全无机钙钛矿CsPbBr3或贵金属与半导体组装的体系中电荷传输的超快过程。为了完成上述实验,我们做了下面的研究工作:(1)使用烧结法,我们合成了全无机钙钛矿CsPbBr3,并将其与不同半导体(TiO2、SnO2、ZnO)组装在一起,为了进一步探索该体系中光生载流子的分离和传输过程,我们利用飞秒激光时间分辨光谱技术来探测其超快光谱和超快动力学,并且结合使用奇异值分解和全局拟合两种方法,通过上述的两种方法处理和分析所测得的飞秒瞬态吸收光谱数据,得到了四个动力学过程,分别归属于热载流子冷却,自由激子形成,电荷转移和电荷复合过程,通过比较不同体系的四个动力学过程的时间常数,讨论分析半导体种类对界面载流子分离传输的影响,提出CsPbBr3/Semiconductor体系电荷转移机制模型。我们的此项工作为更清楚的探讨全无机钙钛矿电池材料的界面电荷转移机理提供了有效的实验依据。(2)将贵金属金纳米颗粒与使用刮刀法制成的半导体(TiO2、SnO2、ZnO)薄膜进行组装,利用飞秒时间分辨红外瞬态吸收光谱探测其超快动力学过程,通过金纳米的等离子能带被激发后,直接观察到金纳米颗粒中的自由电子被注入到不同的半导体(TiO2,SnO2和ZnO)的导带上。进而详尽地讨论了半导体种类会对电子注入效率和电荷复合寿命产生怎样的影响。
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