论文部分内容阅读
自2012年至2019年,有机无机杂化铅基钙钛矿太阳能电池光电转化效率已经超过23%,但铅(Pb)元素的毒性限制了其进一步发展。锡基钙钛矿拥有与铅基钙钛矿相近的光学和电学性能,并且对生物和环境无毒无害,成为最有希望代替铅基钙钛矿的材料。锡基钙钛矿太阳能电池当前最主要的问题是钙钛矿材料不稳定和器件效率低。针对此问题,本论文将二维铜基钙钛矿(PEA2CuBr4)与三维锡基钙钛矿(FASnI3)组合,形成一种稳定的PEA2CuBr4/FASnI3(Cu/Sn基)钙钛矿材料,并对其基本性质和稳定性进行研究。随后将其应用在反型平面结构太阳能电池器件中,研究其光电性能。本论文主要研究内容如下:(1)Cu/Sn基钙钛矿材料的制备及性质研究。使用溶液旋涂法制备了不同比例的Cu/Sn基钙钛矿薄膜,利用X射线衍射(XRD)、X射线能谱(EDS)、X射线光电子能谱(XPS)、紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)、扫描电子显微镜(SEM)等方法对其结构成分、光学性能以及表面形貌进行分析。研究了不同Cu/Sn钙钛矿的性质,筛选出Cu/Sn(1.5%)钙钛矿性能更好。相比于单纯的FASnI3钙钛矿薄膜,Cu/Sn(1.5%)钙钛矿薄膜结晶度更好和结晶取向更为一致、吸光度更高、光学带隙更大、薄膜表面形貌更好。(2)Cu/Sn基钙钛矿材料的稳定性研究。对Cu/Sn(1.5%)钙钛矿材料热稳定性、湿度稳定性和抗氧化性能进行了研究。结果表明,Cu/Sn(1.5%)钙钛矿在120℃下加热15小时之后没有发生明显分解;在湿度超过70%的大气环境中保存12小时之后只出现微弱降解现象;Sn2+与Sn4+的比例为0.28。PEA2CuBr4的加入有效提升了锡基钙钛矿材料的稳定性,并且有效能够有效抑制Sn2+的氧化。(3)Cu/Sn基钙钛矿太阳能电池的器件性能和稳定性研究。以不同比例的Cu/Sn基钙钛矿薄膜为吸光层制备反型平面结构太阳能电池,测试其光伏性能和器件稳定性。结果表明,Cu/Sn(1.5%)钙钛矿太阳能电池光电转化效率达到6.5%,约为FASnI3电池器件的2倍。铜基二维钙钛矿的加入有效实现缺陷钝化、抑制缺陷辅助载流子复合、提高空穴载流子迁移率,从而降低电池器件的暗电流和迟滞效应,提升了电池性能。二维钙钛矿的加入使电池器件获得良好的稳定性,Cu/Sn(1.5%)太阳能电池器件在氮气环境中保存40天之后仍然能够保持最高效率的90%以上。