基于磁控溅射NiOx空穴传输层的倒置钙钛矿太阳电池制备及性能研究

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有机-无机杂化钙钛矿太阳电池(Perovskite Solar Cells,PSCs)因光电转换效率高、原料丰富和制作工艺简单等优点,近年来受到了人们的广泛关注。NiOx因自身良好的载流子传输性能、优异的化学稳定性和低廉的成本常作为空穴传输材料被应用到倒置平面型PSCs的制作中。磁控溅射法是一种能够实现大面积制备NiOx薄膜的方法,所制备的NiOx薄膜表面均匀、平整度高,但是薄膜的电导率偏低且与钙钛矿层界面存在明显的氧化还原反应,因此溅射NiOx基的PSCs的性能一般弱于溶液法NiOx基的PSCs。本文为解决溅射法所制备NiOx(sp-NiOx)薄膜的载流子迁移率低的情况,在磁控溅射制备NiOx的过程中掺入少量的O2,以提高薄膜的空穴传输性能;针对sp-NiOx与钙钛矿层之间存在的氧化还原反应导致器件性能弱化的现象,通过添加过量的FAI和减少PbI2比例的方式进行界面的调整;最后,考虑到常用透明电极ITO存在固有的力学脆性不适用于柔性PSCs的问题,我们将磁控溅射制备的AZO/Ag Ox/AZO多层电极替代ITO应用于PSCs中,并以优化后sp-NiOx的作为空穴传输层,开发了结构为AZO/Ag Ox/AZO/NiOx/Perovskite/PCBM/BCP/Ag的电池器件。论文的主要内容和创新性结果如下:(1)利用磁控溅射进行了NiOx薄膜制备,研究了溅射过程中O2掺入对NiOx薄膜及基于其的PSCs性能的影响。结果显示,适量O2的掺入可以提高了NiOx薄膜中Ni3+的比例,显著提升了NiOx的空穴抽取与传输性能,还可使其上生长的钙钛矿晶粒尺寸增大,结晶性能增强。通过优化氧/氩气体流量比,发现O2和Ar流量分别为1 sccm和50 sccm时所制备的PSCs性能最优,其功率转换效率(PCE)可达12.48%。(2)针对sp-NiOx与钙钛矿A位阳离子容易发生反应而导致电池器件性能弱化的现象,我们研究了通过钙钛矿前驱体组分工程来控制NiOx/钙钛矿界面反应,进而实现PSCs性能提升的技术。具体探索了两种方案:(1)适当增加钙钛矿前驱体溶液中FAI的比例;(2)适当减少钙钛矿前驱体溶液中PbI2的比例。测试结果表明两种方法均可以有效改善sp-NiOx上钙钛矿层结晶质量和表面形貌,使器件的光伏性能提到明显增强。经过参数优化,发现当FAI过量2%时所制备的PSCs拥有最高13.44%的光电转换效率;当PbI2减量2%时,PCE最高为14.14%。相较而言,直接减少PbI2比例的效果更好。(3)为了探索sp-NiOx基PSCs在柔性电池领域的应用,制备了AZO/Ag Ox/AZO多层透明电极,此电极具有可以与ITO比拟的透明导电性能(沉积在玻璃衬底与PET衬底的上的AZO/Ag Ox/AZO在可见光范围内的平均透过率分别为74.74%和73.36%,方块电阻分别为8.55Ω/sq和8.37Ω/sq),且柔韧性优异,在10 mm的弯折半径下弯折10000次后,其仍可保持10.12Ω/sq的方块电阻。将所制备的AZO/Ag Ox/AZO多层电极替代ITO,应用于sp-NiOx基PSCs器件中,玻璃衬底上的器件获得了10.15%的PCE,而柔性PET衬底上的器件效率为8.05%,经过2500次的弯折测试后,柔性PSCs仍保持初始效率的85%。
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